操作系统为什么要分页

1.从程序加载说起:分段机制在做什么

• 你或许听说过分页机制：它把物理内存划成固定大小的页；而分段则是按代码、数据、栈这类逻辑单位切成大小不同的段。你有没有想过，这样切分不影响程序运行吗？

1.1用户程序主要在做什么

• 用户程序一般有代码段、数据段、栈段：跑代码、读写数据、压栈弹栈，偶尔跳去别的代码段。它完全不关心自己落在物理内存哪儿——反正不知道，也管不着。

1.2操作系统主要在做什么

• OS负责把各段装进物理内存，还得做重定位：程序不知道新家在哪，OS得帮它记住。办法是：程序头部段记录基本信息；OS装好各段、登记段描述符，再把选择子回填到头部段。于是程序靠头部段这张“地址通讯录”找到各个段。

1.3总结

• 操作系统怎么把用户程序分配到物理内存中用户程序并不关心，只要操作系统加载完用户程序后，把“地址通讯录”写好了就行，否则用户程序无法找到自己想要的内存。
• 分页是另一套“通讯录”：它记的是固定大小的页对应哪儿，不是段对应哪儿。下图显示了纯分段和纯分页下的各个内存情况。
  
  

2.为什么要进行分页

• 分段明明好好的，为什么要进行分页？很多人以为分段模式下内存是无法换入换出到硬盘的但是分页可以，所以分页代替了分段，这是错误的，分段模式下也可以进行换入换出功能，主要是因为分段模式下对比分页模式的话换入换出的缺点太多了。

2.1 分段下内存的换入换出

• 分段模式下，物理内存中是各个大小不一的内存段。当某个代码段访问某个内存段时，根据段描述符信息找到该段；根据描述符中的 P 位判断该段是否在内存中：

若 P=1，说明该段在物理内存中，直接用描述符中的基地址 + 段内偏移完成地址转换；
若 P=0，说明该段不在内存中，触发缺段异常缺段中断； 缺段异常处理程序会将该段从硬盘读入物理内存中的某个区域； 读入成功后，修改该段描述符：把基地址设置为该段实际装入的物理起始地址，并把 P 位置 1；若物理内存不够，还需要先换出其他段，或者进行内存紧凑。

2.2分析分段下内存的换入换出问题

2.2.1当内存中剩余空间足够时

• 正常情况下，内存中空间充足的话，分段模式下是可以正常的将内存段加载到物理内存中，但有这么一个情况，如下图所示，假设物理内存总共10M，一开始有个进程A在中间占用了5M，可用内存还要5M，接着有个进程B即将被加载到物理内存中，进程B的代码段占了5M，但由于分段模式下段必须是连续的，所以它无法被加载到物理内存中，尽管物理内存中还要5M。
• 如果进程B的代码段是一个个更小且大小相同的内存块，将一部分代码块放到上面，一部分放到下面，是不是就不用换入换出了？

2.2.2 当内存中剩余空间不足时

• 还要一种情况，如下图所示，当内存中剩余空间不足时，也就是当物理内存剩余只有2M，但进程B带着它那5M的代码段进来，操作系统发现物理内存不足，于是只能将进程A或者进程C中某些段换掉。
• 换入换出是非常消耗性能的，实际上我们可能只需要运行进程B代码段的一小部分，所以将进程B切分成固定大小的物理块，然后将这些小块加载到物理内存中，这样性能是不是更好？这就是分页了嘛。

2.2.3性能问题

• 分段模式下，每个内存段可能很大，可能换入换出的速度会很慢，导致性能问题。
• 所以我们又必要将内存段分块。