《操作系统导论》学习笔记（六）：逻辑地址空间管理

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逻辑地址空间管理 — 段式(segmentation)

逻辑地址空间管理根据内存分区的大小、是否固定、对程序员是否透明可分为 段式存储管理(segmentation) 和 页式存储管理(paging)。段式存储管理的内存分区较大，分区大小可动态增长，程序员负责段的分配及回收。

1. 段地址空间

2.逻辑地址结构

内存块在段式存储管理中需要确定所在的段、段内的位置，再转换为物理地址，所以段的逻辑地址由 段号(segment) 和 段内偏移量(offset) 组成的二元组 (s, offset)。

2. 硬件支持

段表 存储在物理内存中，表示段地址空间与物理地址空间的映射关系，段表由操作系统控制更新。段表项对应进程的一个段，段表项目包括段号、段长、段基址。

3. 物理地址生成

1. CPU从程序P中获取逻辑地址，前10位为段号，后10位为段内偏移
2. 操作系统软件根据段号查询段表并保存段长到界地址寄存器（段长度寄存器），硬件MMU比较段内偏移是否超过段长，超过则发出越界异常给操作系统，否则继续执行
3. 操作系统根据段号保存段基址到基地址寄存器（段基址寄存器），硬件MMU将段内偏移与段基址相加得到物理地址。

例：
在一个段式存储管理系统中，其段表及逻辑地址表如下，求逻辑地址所对应的物理地址。
$$表1段表$$

$$表2逻辑地址$$

答：

• 第0段的段长为500，段内偏移为430，逻辑地址（0,430）合法，段基址为210，所以物理地址为430+210=640。
• 第1段的段长为20，段内偏移为10，逻辑地址（1,10）合法，段基址为2350，所以物理地址2350+10=2360。
• 第2段的段长为90，段内偏移为500，发生越界异常，逻辑地址（2,500）非法。
• 第3段的段长为590，段内偏移为400，逻辑地址（3,400）合法，段基址为1350，所以物理地址为1350+400=1750。
• 第4段的段长为95，段内偏移为112，发生越界异常，逻辑地址（4,112）非法。
• 段表内没有第5段，逻辑地址（5,32）非法。

逻辑地址生成

1. 栈(stack)

栈(stack) ：编译器自动分配回收。运行函数 $func()$ 时，编译器自动在栈内存放整型变量 $x$；当从函数返回时，编译器自动回收整型变量 $x$。

void func() { 
    int x; // declares an integer on the stack } 

2. 堆(heap)

堆(heap)：程序员通过函数 malloc()/free() 分配回收。

(1) 头文件及函数原型

#include <stdlib.h> void *malloc(unsigned int size); void free(void *ptr); 

$malloc()$ 分配成功则返回指向被分配内存的指针，否则返回空指针NULL；而 $free()$不返回任何值