分页与分段的区别

引言

内存管理对于有效利用计算机操作系统中的资源至关重要。内存分配和组织通过两种基本技术完成：分页和分段。

通过将内存视为统一的结构，**分页**将其划分为称为页的固定大小块，从而简化了管理。另一方面，**分段**通过根据逻辑单元将内存划分为可变大小的段，为数据和代码的排列提供了灵活性。由于它们各自的优势，这两种方法都是根据系统架构和应用程序的特定需求和复杂性来选择的。

分页

分页是一种分配非连续内存的技术或方法。这种分区方案具有固定的尺寸。分页涉及将主内存和辅助内存划分为相等大小的固定分区。页和帧分别是主内存区域单元和辅助内存区域单元的划分名称。

像分页这样的内存管理技术用于从辅助内存中检索进程并将它们作为页加载到主内存中。分页过程的每个步骤都被分成若干部分，每个部分的大小都与页相同。最后一个部分的大小也可以与页大小相同。进程区域单元的页根据其可访问性保留在主内存帧中。

分页的优点

1. 内存效率：通过将可用内存划分为较小的页并在需要时分配它们，分页可以更有效地利用内存资源。
2. 大虚拟内存：通过在磁盘和内存之间临时切换页，即使物理内存受限，分页也可以创建大的虚拟内存。
3. 简化的内存管理：由于分页提供了一种简单有效的内存管理技术，操作系统可以更轻松地根据需要分配和释放内存。
4. 隔离和保护：分页允许为不同的应用程序分配独立的页，从而在它们之间提供隔离和保护。
5. 数据共享：通过为多个进程中的同一页分配不同的虚拟地址，分页允许在多个进程之间共享数据。
6. 灵活性：分页使您能够通过根据需要添加或删除页来更改进程拥有的内存量。
7. 有效的磁盘空间利用：分页通过将不活动的页临时存储在磁盘上并在需要时重新将其移至内存来促进有效的磁盘空间利用。

分页的关键特性

1. 固定大小：页和帧的大小相同，消除了外部碎片。
2. 逻辑到物理映射：页表将逻辑地址转换为物理地址。
3. 透明性：进程不知道内存是连续的还是碎片化的。

分页的缺点

1. 页表开销：为了跟踪页，分页需要维护一个页表，这会增加系统开销。
2. 页面错误开销：当在内存中找不到某个页并需要从磁盘检索时，处理会延迟。
3. 颠簸（Thrashing）：如果过多的页在磁盘和 RAM 之间反复切换，则会导致颠簸，从而降低系统性能。
4. 内部碎片：由于分页不是页大小的倍数，因此部分可用内存可能在页内未被使用。
5. 外部碎片：分页也可能导致外部碎片，其中一块内存可能足够空闲但分散在多个非连续的页中。
6. 磁盘 I/O 开销：为了交换页，分页需要磁盘 I/O，这会增加系统开销。
7. 页大小限制：不同的页大小会影响系统性能。较小的页可能导致较高的页管理开销，而较大的页可能导致较少的内部碎片但更多的外部碎片。
8. 复杂的页替换算法：当发生页面错误时，分页需要使用算法来决定替换哪个页。此算法可能很复杂并影响系统性能。
9. 对齐要求：分页还可能通过强制要求数据存储在大于页大小的地址处来限制数据对齐，这将增加系统开销。

细分

与分页不同，分段不会将进程任意划分为固定大小的页。这种分区方案有各种大小。与分页类似，分段不会将主内存和辅助内存划分为相等大小的分区。段是辅助内存区域单元的划分。所有段的详细信息都存储在一个称为段表的数据结构中。段表包含关于段的两个主要信息：基址（Base），即段的起始地址，以及限长（Limit），即段的长度。

当发生分段时，CPU 会创建一个带有段偏移量和段号的逻辑地址。如果段偏移量小于限长，则认为该地址有效，否则会发生无效计算，因为该地址无效。

上图显示了从逻辑地址到物理地址的转换。

分段的优点

1. 逻辑分组：分段使得对相关数据和代码进行逻辑分组成为可能，从而提高了内存组织的可读性和可理解性。
2. 保护：当每个段具有不同的保护属性时，更容易实现内存保护和隔离。
3. 共享：通过允许多个进程共享单个段，分段降低了复制共享数据的内存开销。
4. 灵活性：分段允许不同的段具有不同的长度，从而实现更灵活的内存管理。
5. 重定位：分段允许您动态地重新定位段，这使得管理动态和不断增长的数据结构的内存需求更加容易。
6. 性能：通过减少内部碎片和实现更好的内存资源利用，分段提高了性能。
7. 简化的内存管理：通过减少需要监控和控制的空闲内存块数量，分段简化了内存管理。
8. 有组织的内存结构：分段提供了一个有组织的内存结构，便于系统维护和调试。
9. 更好的地址转换：分段降低了将虚拟地址转换为物理地址的开销，从而提高了地址转换性能。

分段的关键特性

1. 逻辑划分：段是功能单元，有助于用户和程序员理解结构。
2. 可变大小：段的长度可以根据程序的需要而变化。
3. 段表：此表将物理地址与段号相关联。

分段的缺点

1. 开销：由于需要额外一步将段号映射到段基址，分段可能导致较高的地址转换开销。
2. 外部碎片：由于段的大小可变，分段可能导致外部碎片，浪费内存资源并降低内存利用率。
3. 复杂性：内存管理系统可能会因为分段而变得更加复杂，这使得实现和维护更加困难。
4. 有限的地址空间：由于段表必须占用地址空间的一部分，分段可能导致地址空间不足。
5. 低效的内存使用：分段的变长段导致的内存碎片可能导致资源分配效率低下。
6. 增加的内存需求：由于需要管理段本身以及段表，分段可能会导致更高的内存容量成本。
7. 兼容性：分段可能导致兼容性问题，因为不同的系统在不同段上以不同的方式使用软件和硬件。
8. 安全性：分段的使用可能导致安全威胁，因为攻击者可以利用分段硬件或软件中的代码，并获得对未经授权内存的有效控制。

分页与分段的区别

结论

总而言之，操作系统使用分页和分段来管理内存，但它们在内存管理方面有不同的方法。分段将内存划分为称为段的可变单元，有助于保持数据和代码的有序结构，而分页器将内存划分为固定大小的页，以便于分配和管理模块。

常见问题

1. 分页如何处理碎片？

答案：分页通过使用固定大小的页来处理碎片，从而减少了内部碎片。

2. 分段如何处理碎片？

答案：分段通过压缩来解决碎片问题，压缩包括重新组织段以减少外部碎片。

3. 分页的目的是什么？

答案：分页将内存划分为固定大小的页，以提高效率。

4. 分段的目的是什么？

答案：分段的目的是通过将其划分为可变大小的段来提供细粒度的内存管理和保护。

5. 分页如何保护内存？

答案：分页使用页表和页保护位来防止内存泄漏。