虚拟内存

分页是一维地址空间，分段是二维的。

大小是否可以改变：

页的大小不可变，段的大小可以动态改变。

出现的原因：

分页主要用于实现虚拟内存，从而获得更大的地址空间；分段主要是为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护。

虚拟内存

简述

属于计算机系统内存管理的一种技术，虚拟地址空间构成虚拟内存，它使得应用程序认为自己拥有连续的可用内存空间，但实际上是被分隔的多个物理内存页、以及部分暂时存储在磁盘上的交换分区所构成的。虚拟内存的实现通

过硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘以及内核软件共同完成

1、地址空间：

地址空间是物理内存的抽象，是一个进程可用于寻址内存的一套地址集合。

2、分页：

地址空间被分割成多个块，每一块称作一页或页面(Page)。每一页有连续的地址范围，这些页被映射到连续的物理内存(页框)。

3、页表：

页表的目的是把虚拟页面(虚拟地址)映射为页框(物理地址)。页表给出了虚拟地址与物理地址的映射关系。从数学的角度说页表是一个函数，他的参数是虚拟页号，结果是物理页页框号

4、加速分页：

（1）TLB加速分页

概念：将虚拟地址直接映射到物理地址，而不必再访问页表，这种设备被称为转换检测缓冲区（TLB）、相联存储器或快表

工作过程：将一个虚拟地址放入MMU中进行转换时，硬件首先通过将该虚拟页号与TLB中所有表项同时进行匹配，判断虚拟页面是否在其中：

1. 虚拟页号在TLB中。如果MMU检测一个有效的匹配并且访问操作并不违反保护位，则将页框号直接从TLB中取

出而不必访问页表。

1. 虚拟页号不在TLB中。如果MMU检测到没有有效的匹配项就会进行正常的页表查询。接着从TLB中淘汰一个表

项，然后用新的页表项替换它。

（2）软件TLB管理

5、针对大内存的页表

三个重要的能力：

1. 高速缓存

按照存储器层次结构中的缓存划分来看，将位于k层的更小更快的存储设备作为存储在k+1层的更大更慢的存储设备的缓存。具体如下：

在虚拟内存中的虚拟页共分为三种类型：

1. 未分配（没有被进程申请使用的，也就是空闲的虚拟内存，不占用虚拟内存磁盘的任何空间）
2. 未缓存（仅仅加载到磁盘中的页）
3. 已缓存（已经加载到内存中的内存页（页框））
4. 内存管理
5. 内存保护

现代操作系统中，用户进程不应该被允许修改它的只读代码段;

而且也不应该允许它读取或修改任何内核中的代码和数据结构;

并且也不允许其读取或者修改其他进程的私有内存，以及修改和其他进程共享的虚拟页面。

如果不对进程的内存访问进行限制，攻击者就能够访问和修改其他进程的私有内存，进而导致整个系统崩溃。大体的虚拟寻址如下：

通过MMU，每次都会读取页表中的一个页表条目(PTE)，通过在这些页表条目(PTE)中添加一些标志位，就能够实现对一个虚拟页的访问控制权限。譬如：

相关的其他概念

1. 用户态和内核态

为了使操作系统内核提供一个无懈可击的进程抽象，处理器必须提供一种机制，限制一个应用可以执行的指令以及他可以用来访问的地址空间范围。

处理器通常是用某个控制寄存器中的一个模式位来提供这种观功能的，该寄存器描述了进程当前享有的特权。

当设置了模式位时：

进程就运行在内核态中。

运行在内核态中的进程可以执行指令集中的任何指令，并且可以访问系统中的任何内存位置。

没有设置模式位时：

进程就运行在用户态。用户模式中的进程不允许执行特权指令。

比如：停止处理器、改变模式位、或者发起一个I/O操作。同时也不允许用户态下的进程直接引用地址空间中内核空间的代码和数据。

任何这样的尝试都会导致致命的保护故障。用户态下的程序必须通过系统调用接口间接的访问内核代码和数据。

1. 上下文切换'

上下文切换属于一种较高层形式的异常控制流，进行上下切换涉及到的内容如下：

（1）各种寄存器，TLB 也是其中之一。

（2）程序计数器

（3）用户栈

（4）内核栈

（5）内核中的各种数据结构

1. 页表