大家好，我是你們的老朋友軒轅。

點(diǎn)進(jìn)這篇文章的朋友，恭喜你們，又要收獲新知識(shí)了~

這又是一篇非常硬核的技術(shù)文，建議配合一瓶怡寶或營(yíng)養(yǎng)快線食用，效果更好哦。

很多小伙伴在學(xué)操作系統(tǒng)的時(shí)候，學(xué)習(xí)到內(nèi)存管理的部分時(shí)，都會(huì)接觸到分段內(nèi)存管理、分頁(yè)內(nèi)存管理。

但很多人學(xué)完以后一頭霧水：

到底現(xiàn)在用的是分段還是分頁(yè)?

段寄存器這個(gè)東西現(xiàn)在還在用嗎?

為什么在講到虛擬地址翻譯的時(shí)候，好像跟段又沒(méi)有關(guān)系了呢?

之所有有這個(gè)問(wèn)題，是因?yàn)楹芏嗤瑢W(xué)看的教程很多都是偏理論的或者是過(guò)時(shí)的，根本不給你講現(xiàn)代操作系統(tǒng)中實(shí)際的情況(關(guān)于這一點(diǎn)我已經(jīng)吐槽很多次了)。

今天軒轅就帶大家把內(nèi)存管理的這些疑問(wèn)一次性弄清楚，分段還是分頁(yè)，別再傻傻分不清楚了!

Let's go!

在開(kāi)始之前，我們還是先來(lái)簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下，操作系統(tǒng)書(shū)上講到的Intel x86 CPU架構(gòu)下的分段式內(nèi)存管理和分頁(yè)式內(nèi)存管理。

分段式內(nèi)存管理

早在16位的8086時(shí)代，CPU為了能尋址超過(guò)16位地址能表示的最大空間(64KB)，引入了段寄存器。

通過(guò)將內(nèi)存空間劃分為若干個(gè)段，然后采用段基地址+段內(nèi)偏移的方式訪問(wèn)內(nèi)存，這樣能訪問(wèn)1MB的內(nèi)存空間了!

那時(shí)候，段寄存器有4個(gè)，分別指向不同的段。

• cs: 代碼段
• ds: 數(shù)據(jù)段
• ss: 棧段
• es：擴(kuò)展段

在那個(gè)時(shí)候，段寄存器中存放的是段基地址，注意，是一個(gè)地址。

在通過(guò)ip寄存器讀取指令的時(shí)候，實(shí)際上是cs:ip，通過(guò)sp寄存器訪問(wèn)棧的時(shí)候，實(shí)際上是ss:sp。

我看到網(wǎng)絡(luò)上很多文章介紹分段式內(nèi)存或者介紹段寄存器的時(shí)候就止步于此了，而事實(shí)上，進(jìn)入32位時(shí)代后，情況已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，只講上面這一部分內(nèi)容實(shí)際上會(huì)誤導(dǎo)很多人。

變化1：

在32位時(shí)代，段寄存器又增加了兩個(gè)：fs、gs，這兩個(gè)段寄存器有特殊用途。

變化2：

段寄存器里面存放的不再是段基地址，而是一個(gè)叫段選擇子的東西。注意，注意，一切的變化都從這里開(kāi)始。

段寄存器是16位的寬度，原來(lái)這16位是個(gè)物理內(nèi)存地址，但現(xiàn)在，它是這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)：

實(shí)際上，現(xiàn)在的段寄存器中存放的是一個(gè)號(hào)碼，什么號(hào)碼呢?是一個(gè)表格中表項(xiàng)的號(hào)碼，這個(gè)表，有可能是全局描述符表GDT，也有可能是局部描述符表LDT。

那到底是哪個(gè)表?是由段選擇子從低到高的第三位來(lái)決定的，如果這一位是0，則是GDT，否則就是LDT。

那這兩個(gè)表又是啥，表里面裝的又是什么，怎么來(lái)尋址呢?

這兩個(gè)表的表項(xiàng)叫做段描述符，描述了一個(gè)內(nèi)存段的信息，比如段的基地址、最大長(zhǎng)度、訪問(wèn)屬性等等一系列信息，它長(zhǎng)這個(gè)樣子：

CPU中單獨(dú)添置了兩個(gè)寄存器，用來(lái)指向這兩個(gè)表，分別是gdtr和ldtr。

在尋址的時(shí)候，CPU首先根據(jù)段寄存器中的號(hào)碼，通過(guò)gdtr或ldtr來(lái)到GDT/LDT中取出對(duì)應(yīng)的段描述符，然后再取出這個(gè)段的基地址，最后再結(jié)合段內(nèi)的偏移，完成內(nèi)存尋址。

也就是說(shuō)，在16位模式下，段寄存器中直接就是一個(gè)地址，相當(dāng)于一個(gè)指針，而到了32位下，則變成了一個(gè)句柄，或者說(shuō)二級(jí)指針了。

分頁(yè)式內(nèi)存管理

相比分段式內(nèi)存管理，可能大家對(duì)分頁(yè)式內(nèi)存管理要熟悉的多。

操作系統(tǒng)將內(nèi)存空間按照“頁(yè)”為單位劃分了很多頁(yè)面，這個(gè)頁(yè)的大小默認(rèn)是4KB(當(dāng)然可以改的)，各進(jìn)程擁有虛擬的完整的地址空間，進(jìn)程中使用到的頁(yè)面會(huì)映射到真實(shí)的物理內(nèi)存上，程序中使用的地址是虛擬地址，CPU在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將其翻譯成真實(shí)的物理地址。

既然要翻譯，那就得有地方記錄虛擬地址和物理地址的映射關(guān)系，只有根據(jù)這個(gè)關(guān)系，才能完成翻譯。

這個(gè)映射關(guān)系，是通過(guò)頁(yè)表來(lái)完成的。

頁(yè)表是用來(lái)記錄虛擬內(nèi)存頁(yè)面和物理內(nèi)存頁(yè)面之間的映射關(guān)系的，每一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)記錄一個(gè)頁(yè)面的映射關(guān)系。但進(jìn)程的地址空間很大，這樣算下來(lái)需要的頁(yè)表項(xiàng)的數(shù)量也會(huì)非常多。而實(shí)際上進(jìn)程地址空間中很多頁(yè)面都沒(méi)有真正使用，也就沒(méi)有映射關(guān)系，這樣是一種浪費(fèi)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，CPU引入了多級(jí)頁(yè)表的機(jī)制，在32位下一般是2級(jí)頁(yè)表，像下面這樣：

將虛擬地址劃分了三段：頁(yè)目錄索引、頁(yè)表索引、頁(yè)內(nèi)偏移。

線程切換時(shí)，如果同時(shí)發(fā)生了進(jìn)程切換，CPU中的CR3寄存器將會(huì)加載當(dāng)前進(jìn)程的頁(yè)目錄地址。

在尋址的時(shí)候，通過(guò)CR3，一級(jí)一級(jí)按表索頁(yè)，最終找到對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存頁(yè)面，再結(jié)合頁(yè)面內(nèi)的偏移值，實(shí)現(xiàn)最終的內(nèi)存尋址。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)際情況

學(xué)完了這兩種內(nèi)存管理方式，很多人就要懵了：

現(xiàn)在操作系統(tǒng)到底用的哪種方式?好像是分頁(yè)，但為什么段寄存器好像還是有，到底是怎么一回事?

先說(shuō)結(jié)論，答案就是：分段+分頁(yè)相結(jié)合的內(nèi)存管理方式

首先要明確一個(gè)前提，這一點(diǎn)非常非常重要：無(wú)論是分段還是分頁(yè)，這都是x86架構(gòu)CPU的內(nèi)存管理機(jī)制，這倆是同時(shí)存在的(保護(hù)模式下)，并不是讓操作系統(tǒng)二選一!

既然是同時(shí)存在的，那為什么現(xiàn)在將內(nèi)存地址翻譯時(shí)，都是講分頁(yè)，而很少談到分段呢?

這一切的一切，都是因?yàn)橐粋€(gè)原因：操作系統(tǒng)通過(guò)巧妙的設(shè)置，‘屏蔽’了段的存在。

操作系統(tǒng)怎么做到這一點(diǎn)的，接下來(lái)我們就來(lái)分析一下，徹底弄清楚背后的貓膩!

段寄存器

讓我們從段寄存器出發(fā)，在Win7 32位系統(tǒng)上，使用調(diào)試器(我用的WinDbg)隨意調(diào)試一個(gè)程序，真的，隨意，記事本、瀏覽器、Word，你看上誰(shuí)就調(diào)試誰(shuí)。

在中斷的上下文中看一下，程序在執(zhí)行時(shí)，段寄存器里面到底裝了啥?

來(lái)看下幾個(gè)主要的段寄存器的內(nèi)容：

• cs: 001b
• ds: 0023
• ss: 0023
• es: 0023

PS: 可能不同版本的Windows上面的結(jié)果不一樣，但這不重要，不影響我們分析問(wèn)題。

只有0x001b和0x0023兩個(gè)值，前面我們說(shuō)了，這不是一個(gè)地址，而是一個(gè)段選擇子，按照段選擇子的格式展開(kāi)來(lái)看一下這兩個(gè)值指向的是哪個(gè)段描述符：

十六進(jìn)制：001b 
 
二進(jìn)制：0000000000011 0 11 
 
段序號(hào)：3 
 
表類型：GDT 
 
特權(quán)級(jí)：Ring3 

十六進(jìn)制：0023 
 
二進(jìn)制：0000000000100 0 11 
 
段序號(hào)：4 
 
表類型：GDT 
 
特權(quán)級(jí)：Ring3 

也就是說(shuō)，cs段指向的是GDT中的第3個(gè)表項(xiàng)，其他三個(gè)寄存器指向的是GDT中的第4個(gè)表項(xiàng)。

接下來(lái)，我們來(lái)看一下這個(gè)神秘的GDT里面的內(nèi)容到底是什么?很多人學(xué)了內(nèi)存管理，可能還從來(lái)沒(méi)看過(guò)真實(shí)的GDT里面到底是什么數(shù)據(jù)吧。

GDT是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間中的，在Windows上有兩種查看方式，一種是通過(guò)Windbg，一種是通過(guò)一些ARK工具，我這里選擇使用PChunter這個(gè)神器進(jìn)行查看。

前面提到過(guò)，GDT中的表項(xiàng)是段描述符，這是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式，好在，這個(gè)神器對(duì)段描述符進(jìn)行了解析，使用表格字段的方式進(jìn)行了展示，讓我們看起來(lái)輕松多了。

廢話不多說(shuō)了，來(lái)看一下這個(gè)神秘的GDT吧：

注意看第3個(gè)表項(xiàng)和第4個(gè)表項(xiàng)哦，看看它們的基地址，都是0x00000000。

再看它們的界限值，都是0x000FFFFF，注意看這個(gè)界限的單位，不是字節(jié)，而是Page——頁(yè)，把這個(gè)值乘以頁(yè)面的大小4KB，就是0xFFFFF000。也就說(shuō)這個(gè)段的上限到了0xFFFFF000這個(gè)頁(yè)面，再把這一個(gè)頁(yè)面的大小加進(jìn)去，就是0xFFFFFFFF了!

所以，重點(diǎn)來(lái)了!看到了嗎，GDT中的第3個(gè)和第4個(gè)表項(xiàng)所描述的這兩個(gè)段，它們的基地址都是0x00000000，整個(gè)段的大小都是0xFFFFFFFF，這意味著什么?這意味著整個(gè)進(jìn)程的地址空間實(shí)際上就是一個(gè)段!

也就是說(shuō)：進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段、擴(kuò)展段這四個(gè)段全部重合了，而且是整個(gè)進(jìn)程地址空間共計(jì)4GB成為了一個(gè)段。

說(shuō)起來(lái)是分段，實(shí)際上等于沒(méi)分了，再加上段的基地址全部是0，那進(jìn)行地址翻譯的時(shí)候，有沒(méi)有段都沒(méi)什么區(qū)別了。

總結(jié)一句話：操作系統(tǒng)這樣分段，實(shí)際上是相當(dāng)于把段給架空了!

以上是Windows的情況，我們?cè)賮?lái)看一下Linux情況呢。

使用GDB隨意調(diào)試一個(gè)ELF32的可執(zhí)行文件，使用info r命令查看一下寄存器情況：

段寄存器有0x23和0x2b兩種情況：

十六進(jìn)制：0023 
二進(jìn)制：0000000000100 0 11 
段序號(hào)：4 
表類型：GDT 
特權(quán)級(jí)：Ring3 

十六進(jìn)制：002B 
二進(jìn)制：0000000000101 0 11 
段序號(hào)：5 
表類型：GDT 
特權(quán)級(jí)：Ring3 

Linux下我沒(méi)有找到可以直接用什么命令或者工具查看GDT的方式(如果你知道記得一定告訴我哦)，于是去源代碼中尋找答案：

看到了嗎，這兩項(xiàng)所描述的段和Windows一樣，基地址為0，大小為4GB。

Windows和Linux都選擇了通過(guò)這種方式架空了CPU的分段內(nèi)存管理機(jī)制。

但需要說(shuō)明一下的時(shí)，雖然兩個(gè)操作系統(tǒng)都是這種情況，但并不意味著段機(jī)制徹底沒(méi)用到，CPU的任務(wù)管理TSS還是需要用到，這一點(diǎn)大家知道就行了。

64位情況

看到操作系統(tǒng)們都不待見(jiàn)這個(gè)分段式內(nèi)存管理，Intel似乎也感受到了這玩意確實(shí)很雞肋，于是到了64位平臺(tái)，徹底把段寄存器給打入了冷宮!

在Intel的指令手冊(cè)中，關(guān)于64位下的段寄存器是這樣描述的：

不管你的段寄存器中指向的段基址是什么內(nèi)容，都會(huì)被當(dāng)成0來(lái)對(duì)待。

這一下，分段內(nèi)存管理，徹底涼涼了···

總結(jié)

好了，最后來(lái)總結(jié)一下。

無(wú)論是分段還是分頁(yè)，這是CPU自身的機(jī)制，操作系統(tǒng)在管理內(nèi)存時(shí)繞不過(guò)去，但通過(guò)巧妙的分段內(nèi)存設(shè)計(jì)，相當(dāng)于把分段的概念給屏蔽了，由此造成了我們平時(shí)在談?wù)撎摂M地址翻譯時(shí)，忘記了段的存在，但不代表它真的不存在。

CPU硬件層面的工作必須是結(jié)合分段+分頁(yè)的內(nèi)存管理機(jī)制，操作系統(tǒng)是軟件繞不過(guò)去，所以采取了上面的方式應(yīng)付CPU了事。

從16位到32位再到如今普遍的64位，不同的時(shí)代，分段管理的實(shí)際情況都不一樣，大家在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的時(shí)候一定不要死記硬背，而要結(jié)合實(shí)際情況哦。

現(xiàn)在分段和分頁(yè)，你弄清楚了嗎?

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