[OS]Three Easy Pieces Chapter 16

Segmentation

1 Segmentation: Generalized Base/Bounds

传统的动态重定位会导致内存空间的浪费（整个用户地址空间可能只有一小部分真正使用，大部分是空闲的）。因此，可以使用分段的方式，将用户地址空间按照逻辑分为不同的segment，每个segment都有一对base/bound寄存器。需要注意的是，在进行地址转化的时候，必须将虚拟地址首先转化为段内偏移，然后在转换为物理地址。

2 Which Segment Are We Referring To

一种普遍的做法是，用虚拟地址的高位来索引不同的段，低位作为段内的偏移。

这种做法的缺点是限制了每个段的大小。

另外一种可能的做法是通过地址的来源来判断段。如果地址来自PC，那么肯定是代码段；如果地址来自sp，那么肯定是栈段；否则就是堆段。

3 What About The Stack

因为堆是逆向增长的，因此需要额外处理。具体地，硬件应该添加一个标记位，用来指示地址增长方向是正向的还是逆向的。

4 Support for Sharing

通过对每个segment添加保护位（可读、可写、可执行等），可以安全的在不同的进程间共享内存。

同时，MMU在进行地址转换的时候，也要确保某个进程对某块内存有正确的访问权限。

5 OS Support

段式内存也有一些问题：

• 上下文切换的时候操作系统需要负责切换所有段的base/bound寄存器
• 段增长
  • 如果heap有足够的内存，malloc 直接在heap中分配内存，然后返回相应的地址
  • 如果heap没有足够的内存， malloc 会调用 sbrk 系统调用去增长heap，如果有足够的空间供增长，操作系统会更新堆段的bound寄存器。
• 管理空闲内存：段式内存最大的问题是会外部碎片问题。有一系列算法来管理内存（BF，WF，FF，伙伴算法等），但是都无法根本上解决外部碎片问题。