面试题：内存管理之分页内存管理方式与其他内存管理方式的融合

Question

假设现在要设计一个结合分页内存管理与分段内存管理的新型内存管理系统，阐述你将如何设计其运行机制，以充分发挥两种管理方式的优势，并避免各自的劣势。

Answer 1

设计思路

1. 分段管理部分

   • 段的划分：根据程序逻辑结构，如代码段、数据段、栈段等进行划分。每个段具有不同的属性，例如代码段只读，数据段可读写。这样可以提供逻辑上的隔离和保护，不同类型的数据和指令不会相互干扰。
   • 段表：为每个进程维护一个段表，段表记录每个段的起始地址、长度等信息。当程序访问一个逻辑地址时，先通过段号在段表中找到对应的段描述符，从而确定该段在内存中的起始位置和长度。通过这种方式，实现了逻辑地址到线性地址的转换。

2. 分页管理部分

   • 页的划分：将内存划分为固定大小的页，同样将进程的线性地址空间也划分为与页大小相同的页。这种固定大小的划分方式有利于提高内存的利用率，减少内部碎片。
   • 页表：每个进程有一个页表，用于记录线性地址中的页到物理内存中页框的映射关系。当通过段表转换得到线性地址后，再根据页表将线性地址转换为物理地址。

3. 结合方式

   • 两级地址转换：首先进行段式地址转换，将逻辑地址转换为线性地址。然后基于线性地址，再进行分页地址转换，最终得到物理地址。这样既利用了段式管理在逻辑结构上的优势，又借助了分页管理在内存利用效率上的长处。
   • 共享与保护：对于不同进程间共享的代码段或数据段，可以通过段表的共享机制来实现。同时，通过页表中的访问权限位，可以对每页的读写执行权限进行更细致的控制，从而在保护方面达到更好的效果。

避免劣势

1. 针对段式管理劣势
   • 外部碎片问题：通过分页管理的固定页大小划分，使得内存分配更加规整，减少了因段大小不一致导致的外部碎片。
2. 针对分页管理劣势
   • 缺乏逻辑结构：借助段式管理的逻辑分段，将程序按功能划分为不同段，弥补了分页管理无法体现程序逻辑结构的不足。同时，在页表的基础上结合段表，也能更好地对不同段进行不同的权限控制，而不仅仅局限于页级别的权限控制。