段式存储、页式存储、段页式存储：三种内存管理策略的演进与权衡

段式存储、页式存储、段页式存储：三种内存管理策略的演进与权衡

在现代操作系统与计算机体系结构中，内存管理单元（MMU）通过“段”“页”两种粒度把逻辑地址映射到物理地址。段式、页式、段页式三种机制决定了地址转换效率、内存碎片、共享与保护能力，是操作系统、编译器、虚拟化、嵌入式系统设计的核心基础。

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一、三种机制总览

维度	段式存储	页式存储	段页式存储
逻辑划分单位	段（Segment）	页（Page）	先分段再分页
物理划分单位	连续物理块	固定大小页框	段内再分页
地址结构	段号+段内偏移	页号+页内偏移	段号+页号+页内偏移
碎片类型	外部碎片	内部碎片	外部+内部（可控）
共享粒度	段级共享	页级共享	段级共享+页级映射
硬件支持	段表寄存器、界限寄存器	TLB、页表寄存器	段表+页表+TLB
典型系统	早期 80286、Unix System V	x86 32/64 位、ARMv8	x86 保护模式、Linux 用户态

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二、知识点详解

2.1 段式存储（Segmentation）

段式存储把程序按逻辑意义划分为若干“段”，如代码段、数据段、堆段、栈段。每个段在内存中占据一段连续区域，由操作系统维护一张段表（Segment Table），表项包含：

• 段基址（Base）：段在物理内存的起始地址
• 段界限（Limit）：段的最大长度
• 保护位：读/写/执行权限
• 存在位、有效位等

地址转换过程：
逻辑地址 = 段号 + 段内偏移
若偏移 ≤ Limit，则物理地址 = Base + 偏移；否则触发段越界异常。

优点

• 逻辑与物理视图一致，便于共享、保护、动态扩展。
• 支持可变长段，无内部碎片。

缺点

• 段长可变，频繁分配/释放导致外部碎片严重。
• 需要连续物理区域，内存利用率随运行时间下降。

2.2 页式存储（Paging）

页式存储把逻辑地址空间与物理地址空间都划分为固定大小的块，分别称为“页”与“页框”（Frame）。操作系统维护页表（Page Table），页表项（PTE）包含：

• 页框号（Frame Number）
• 有效位、脏位、访问位
• 保护位、缓存禁用位等

地址转换过程：
逻辑地址 = 页号 + 页内偏移
页号作为索引查页表得页框号，再拼接页内偏移即得物理地址。现代 CPU 通过 TLB（快表）缓存近期 PTE，加速转换。

优点

• 固定大小分配，无外部碎片。
• 支持离散分配，提高内存利用率。
• 易于实现共享、写时复制、按需调页（Demand Paging）。

缺点

• 存在内部碎片：平均浪费半页。
• 页表本身占用内存；多级页表、反向页表、哈希页表等结构增加复杂度。

2.3 段页式存储（Segmented Paging）

段页式存储是前两者的折中：先按逻辑意义分段，再把每个段内部按固定大小分页。逻辑地址被划分为：

段号 | 页号 | 页内偏移

硬件需维护两级结构：

1. 段表：记录每个段的页表起始地址与页表长度。
2. 页表：记录段内各页对应的页框号。

地址转换流程：
段号 → 查段表得页表基址 → 页号 → 查页表得页框号 → 拼接页内偏移 → 物理地址。

优点

• 兼具段的逻辑可管理性与页的无外部碎片优势。
• 支持段级保护、共享，同时允许段内离散分配。
• 可通过多级页表、TLB 进一步优化。

缺点

• 地址转换需两次查表（段表+页表），增加延迟；需硬件 TLB 缓解。
• 实现复杂，需要操作系统与 MMU 协同维护两级表结构。

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三、总结与对比

比较维度	段式	页式	段页式
碎片	外部碎片	内部碎片	内部碎片（可控）
连续需求	必须连续	离散	段内离散
共享粒度	段级	页级	段级+页级
地址转换	一次加法	一次查表	两次查表
硬件支持	段寄存器+界限	TLB+页表寄存器	段表+页表+TLB
典型应用	早期 80286、嵌入式 RTOS	现代通用 OS	x86 保护模式、Linux 用户态

架构师洞见

1. 在 64 位系统与虚拟化场景下，纯段式已退出历史舞台，但“段”概念仍用于权限隔离（x86 FS/GS 段、ARMv8 TBI）。
2. 页式是现代操作系统与硬件的默认选择，TLB 命中率与页表级数直接影响性能；大页（HugePage）、五级页表、IOMMU 是演进方向。
3. 段页式在需要逻辑隔离与离散分配并存的场景（如微内核、可信执行环境）仍有价值，未来或将以“域-页”两级映射形式回归。