關於內存訪問你可能聽過分段，分頁，還有段頁式。
但是爲什麼要分段？又爲什麼要分頁？
有了分頁爲什麼還要分段？
這就需要看一看歷史的發展，知曉歷史之後就知道這一切其實都是自然而然的。
這些概念也不是硬塞出來的。
正文
1971 年 11 月 15 日，Intel 推出世界第一塊個人微型處理器 4004（4位處理器）。
隨後又推出了 8080（8 位處理器）。
那時候訪問內存就只有直白自然的想法，用具體物理地址。
所有的內存訪問就是通過絕對物理地址去訪問的，那時候還沒有段的概念。
段的概念是起源於 8086，這個 16 位處理器。
限於當時的技術背景和經濟，寄存器只有 16 位，而地址總線是 20 位。
那 16 的位的寄存器如何能訪問 20 位的地址？
2 的16 次方如果直着來如何能訪問到 2 的 20 次方所表達的數？
直着來是不可能的，因此就需要操作一下。
也就是引入段的概念，讓 CPU 通過「段基地址+段內偏移」來訪問內存。
有人可能就問你這都只有 16 位，兩個 16 位加起來最多隻能表示 17 位呀。
你說的沒錯。
所以再具體一點的計算規則其實是：段基地址左移 4 位（就是乘16）再加上段內偏移，這樣得到的就是 20 位的地址。
比如現在的要訪問的內存地址是0x05808，那麼段基地址可以是 0x0580，偏移量就是 0x0008。
這樣內存的尋址空間就擴大到 20 位了。
至於爲什麼稱之爲段，其實就是因爲寄存器只有 16 位一段只能訪問 64 KB，所以需要移動基地址，一段一段的去訪問所有的內存空間。
對了，專門爲分段而生的寄存器爲段寄存器，當時裏面直接存放段基地址。
不過漸漸地人們就考慮到安全問題，因爲在這個時候程序之間的地址沒有隔離，我的程序可以訪問你的程序地址，這就很不安全。
於是在 1982 年 80286 推出時，就有了保護模式。
其實就是 CPU 在訪問地址的時候做了約束，會判斷地址是否在允許的範圍內，會判斷當前的程序對目的地址是否有訪問權限。
搞了個 GDT （全局描述符表）存放所有段描述符。
段寄存器裏面也不是直接放段基地址了，而是放了一個叫選擇子的東西。
大致可以認爲就是段描述符的索引，也就是通過這個索引去找到段描述符，所以叫選擇子。
這個選擇子裏面還有一點屬性。
這個 T1 就是標明要去哪個表找，而 RPL 就是特權級了，一共分爲四層，0 爲最高特權級，3 爲最低特權級。
當地址訪問時，如果 RPL 的權限低於目標特權級（DPL）時，就會拒絕訪問，於是就起到了保護的作用。
所以稱之爲保護模式，之前的那種沒有判斷權限的稱之爲實模式。
當時 80286 的地址總線已經是 24 位，但是用於尋址的通用寄存器還是 16 位，雖然段基地址的位數已經足夠訪問到 24 位（因爲已經放到 GDT 中，且有 24位）。
但是因每次一段只有 64 KB，這樣訪問就很不方便，需要不斷的更換段基地址，於是 80286 很快就被淘汰，換上了 80386。
這是 Intel 第一代 32 位處理器。
除了段寄存器還是 16 位之外，地址總線和寄存器都是 32 位，這就意味着以前爲了尋址搞的段機制其實沒用了。
因爲單單段內偏移就可以訪問到 4GB 空間，但是爲了向前兼容段機制還是保留了下來，段寄存器還是 16 位是因爲夠用了，所以沒必要擴充。
不過上有政策，下有對策。
雖說段機制保留了，但是咱可以“忽悠”着用，把段基值都設置爲 0 ，就用段內偏移地址來訪問內存空間就好了。
這其實就意味着每個段的起始地址都是一樣的，那就等於不分段了，這就叫平坦模式。
Linux 就是這樣實現的。
那爲什麼要分頁？
因爲分段粒度太粗了，導致內存碎片大，不利於管理。
當時加載到內存等於一個段都得搞到內存中，而段的範圍過大，舉個例子。
假設此時你有 200M 內存，此時有 3 個應用在運行，分別是 LOL、chrome、微信。
此時內存中明明有 30MB 的空閒，但是網易雲加載不進來，這內存碎片就有點大了。
然後就得把 chrome 先換到磁盤中，然後再讓 chrome 加載進來到微信的後面，這樣空閒的 30MB 就連續了，於是網易雲就能加載到內存中了。
但是這樣等於要把 50MB 的內存來個反覆橫跳，磁盤的訪問太慢了，所以效率就很低。
總體而言可以認爲分段內存的管理粒度太粗了，所以隨着 80386 就出來了個分頁管理，一個更加精細化的內存管理方式。
簡單地說就是把內存等分成一頁一頁，每頁 4KB 大小，按頁爲單位來管理內存。
你看按一頁一頁來管理這樣就不用把一段程序都加載進內存，只需要將用到的頁加載進內存。
這樣內存的利用率就更高了，能同時運行的程序就更多了。
並且由於一頁就 4KB， 所以內存交換的性能問題得以緩解，畢竟只要換一定的頁，而不需要整個段都換到磁盤中。
對應的還有個虛擬內存的概念。
分頁機制構造了一個虛擬內存空間，讓每個進程誤以爲自己掌控所有的內存。
再具體一點就是每個進程都有一個頁表，頁表中有物理頁號和屬性，這樣尋址的時候通過頁表就能利用虛擬地址找到對應的物理地址。
屬性用來做權限的一些管理。
就理解爲進程想要內存中的任意一個地址都行，沒問題，反正背地裏偷偷的會換成可以用的物理內存地址。
如果物理內存滿了也沒事，把不常用的內存頁先換到磁盤中，即 swap，騰出空間來就好了，到時候要用再換到內存中。
上面提到的虛擬地址也叫線性地址，簡單地說就是通過繞不開的段機制得到線性地址，然後再通過分頁機制轉化得到物理地址。
最後
至此我們已經知曉了爲什麼有分段，又有分頁，還有段頁式。
一開始限於技術和成本所以寄存器的位數不夠，因此爲了擴大尋址範圍搞了個分段訪問內存。
而隨後技術起來了，位數都擴充了，寄存器其實已經可以訪問全部內存空間了，所以分段已經沒用了。
但是爲了向前兼容還是保留着分段訪問的形式，並且隨着軟件的發展，同時運行各種進程的需求越發強烈。
爲了更好的管理內存，提高內存的利用率和內存交互性能引入了分頁管理。
所以就變成了先分段，然後再分頁的段頁式。
當然也可以和 Linux 那樣讓每一段的基地址都設爲 0 ，這樣就等於“繞開”了段機制。
作者：yes的練級攻略
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