【操作系统核心详解】段式存储与页式存储：区别、碎片及虚拟内存的本质

1. 引言：为何需要内存管理？

在单道程序的早期计算机中，一个程序独占所有内存。但现代操作系统需要同时运行多个程序，如何让这些程序高效、安全地共享有限的内存资源？这就引出了内存管理的核心概念：分段 和 分页。

它们都旨在更高效地利用内存，但设计的视角和目的截然不同。简单来说：

• 分段是逻辑上的划分，面向程序员。
• 分页是物理上的划分，面向操作系统和硬件。

本文将深入解析两者的区别，并探讨与之相关的碎片问题及虚拟内存的实现原理。

2. 段式存储：像一本书的章节

2.1 什么是分段？

分段是对程序逻辑结构的直接映射。一个程序被自然地划分为若干个段，例如：

• 代码段 (.text)：存放程序指令，只读。
• 数据段 (.data)：存放已初始化的全局变量，可读可写。
• BSS段 (.bss)：存放未初始化的全局变量，可读可写。
• 堆栈段 (Stack/Heap)：用于函数调用和动态内存分配。

每个段在内存中占据一块连续但大小不固定的空间。

2.2 地址变换与段表

逻辑地址在分段系统中是一个二维地址，表示为 (段号s, 段内偏移w)。

地址变换过程：

1. 系统通过控制寄存器找到段表的起始地址。
2. 以段号s为索引，查找段表中的对应表项，获得该段的基址（起始物理地址）。
3. 将段基址与段内偏移w相加，得到最终的物理地址。

注意：在实际系统中，段表项还包含段长信息，用于越界检查，防止访问不属于该段的内存。本文例题为简化模型，暂不进行此检查。

3. 页式存储：像把内容印在标准稿纸上

3.1 什么是分页？

分页是对物理内存的机械式划分。它将进程的地址空间和物理内存都切分成固定大小的小块。

• 进程中的块称为 “页”
• 物理内存中的块称为 “页框” 或 “块”

页的大小由系统决定，通常是4KB。分页对程序员是透明的，你感觉不到它的存在。

3.2 地址变换与页表

逻辑地址在分页系统中是一个一维地址，系统会将其自动解释为 (页号p, 页内偏移d)。

地址变换过程：

1. 系统通过控制寄存器找到页表的起始地址。
2. 以页号p为索引，查找页表中的对应表项，获得对应的物理块号f。
3. 将物理块号f与页内偏移d拼接，得到最终的物理地址（计算公式：物理地址 = f × 页面大小 + d）。

4. 核心区别对比：一张图看懂

维度	段式存储	页式存储
本质/视角	逻辑单位，反映程序结构	物理单位，机械划分
划分对象	程序的地址空间	程序的地址空间和物理内存
大小	可变长	固定大小
地址空间	二维地址 (段号, 段内偏移)	一维地址 (页号, 页内偏移)
碎片问题	产生外部碎片	产生内部碎片
对程序员可见	可见，可能需要考虑段	透明，完全由系统管理
主要目标	模块化、共享、保护	虚拟内存、高利用率、消除外部碎片
管理表格	段表 (含段基址、段长)	页表 (含物理块号)

5. 碎片问题：内部碎片 vs. 外部碎片

碎片是指内存中无法被利用的闲置空间。

特征	内部碎片	外部碎片
定义	已分配的内存块内部，无法被进程使用的空间	未分配的空闲内存之间，太小而无法利用的零散空间
产生原因	分配单元固定，进程用不满一个单元	分配和回收导致空闲内存被分割成不连续的小块
典型场景	分页管理（进程最后一页用不满）	分段管理、动态分区
能否"紧凑"	不能	能（但耗时）

生活化类比：

• 外部碎片：像一个被各种物品占据的储物柜，虽然总空间很大，但剩下的空隙都很小，放不下一个大箱子。
• 内部碎片：像你买了一个大行李箱，但只装了一半的衣服，剩下的空间浪费了，但别人也无法使用。

6. 虚拟内存："一次性"与"驻留性"的打破

6.1 传统内存管理的两大桎梏

1. 一次性：要求进程的全部代码和数据必须一次性装入内存才能运行。
   • 问题：大程序无法运行；内存利用率低。
2. 驻留性：进程一旦装入内存，就会一直驻留直到结束。
   • 问题：内存中充斥着很多不常用的代码（如错误处理例程），浪费空间。

6.2 虚拟内存的解决方案

虚拟内存技术正是通过打破"一次性"和"驻留性"来实现的！

• 如何打破"一次性"？ -> 请求调页
  操作系统只将进程当前需要的页面调入内存，其余的留在磁盘上。这使得程序可以比物理内存大得多。

• 如何打破"驻留性"？ -> 页面置换
  当内存空间不足时，操作系统将内存中暂时不用的页面换出到磁盘，为急需的页面腾出空间。需要时再换入。

为什么分页是虚拟内存的理想基础？
因为页是固定大小的单位，非常适合作为磁盘I/O和内存管理的单元，并且彻底消除了外部碎片。虽然分段也可以实现虚拟内存（段置换），但可变长的特性导致管理复杂，容易产生外部碎片。

7. 现代实践：段页式结合

现代操作系统（如x86 Linux）采用的是段页式结合的管理方式，博采众长：

1. 先用分段：利用其保护特性。CPU仍使用段机制，确保代码段不能写入，数据段不能执行等。
2. 再用分页：作为虚拟内存和物理内存管理的基础。将段映射到的线性地址空间，再通过分页机制映射到物理内存。

流程简化：
逻辑地址 -> (分段机制) -> 线性地址（虚拟地址） -> (分页机制) -> 物理地址

对于应用程序员而言，感受到的是一个巨大的、统一的虚拟地址空间，背后的复杂段页转换均由操作系统和硬件完成。

8. 总结

• 段与页：段是逻辑单位，页是物理单位。段面向程序结构，页面向内存管理。
• 碎片：分页产生内部碎片，分段产生外部碎片。
• 虚拟内存：其本质是基于分页（或段页式），通过请求调页和页面置换技术，打破了传统内存管理的"一次性"和"驻留性"约束，从而实现了在有限物理内存上运行更大、更多程序的目标。

理解这些核心概念，是掌握操作系统内存管理，乃至后续学习进程、线程、文件系统等知识的重要基石。