重生之我是操作系统(七)----内存管理(下)

存储隔离

存储隔离，又称为存储保护。确保不同进程、用户空间与内核空间之间的内存互不干扰，防止非法访问或数据破坏。
在操作性系统早期发展的阶段。经常使用两种寄存器来实现隔离。

• 上下限寄存器
  在CPU中设置一对上下限寄存器，存放进程的上下限地址，当指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界
  
• 重定位寄存器&界地址寄存器
  重定位寄存器存放的是进程的起始物理地址，界地址寄存器存放的是进程的最大逻辑地址。
  

这些寄存器用于非分页 / 非分段的连续内存分配（如固定分区、动态分区），通过基址 + 限长的方式隔离进程地址空间
它们存在很大的局限性，保护粒度较粗（基于整个程序地址空间，无法细粒度到页或段）。

因此，随着页/段的，线程等现代操作系统概念的普及。基本上已经被淘汰，取而代之的是更加复杂的现代内存管理，也就是上一篇文中讲到的，页/段/段页机制。

• 虚拟地址通过 页目录基址寄存器（CR3）+ 页表 逐级映射到物理地址，取代 “重定位寄存器 + 逻辑地址” 的简单加法。
  
• 支持虚拟内存、非连续内存分配，解决早期寄存器的碎片问题。
  
• 页表项包含 访问权限位（如用户态不可读、禁止执行），MMU 在地址转换时自动检查权限，发现越界或非法访问则触发异常（如缺页中断、权限错误）。
  

x86架构的段描述符仍包含 段基址 和 段界限，可用于实现类似上下限寄存器的功能（如隔离用户空间和内核空间），但分段在现代系统中更多是兼容性设计，核心保护依赖分页。

高效通信

在文件读写中，文件的数据是离散存储在硬盘中的。读写文件需要如下几步：

• open系统调用，打开文件
  
• seed系统调用，将读写指针移动到某个位置
  
• read系统调用，从读写指针所指位置读取数据
  
• rite系统调用，从读写指针所指位置写入数据
  

这里的操作就很繁琐，程序员需要自己移动指针，然后读写数据。
按照现在的说法来说，什么都要自己亲历亲为(面向过程)，一点都不OOP(面向对象)。

因此，内存映射文件(Memory-Mapped Files)就应运而生。
通过将磁盘文件的内容直接映射到进程的虚拟地址空间，使进程可以像访问内存一样读写文件数据，无需显式执行传统的输入输出（I/O）操作（如read/write）。

利用内存映射文件，操作步骤就简化为：

• open系统调用，打开文件
  
• mmap建立映射
  操作系统在进程的虚拟地址空间中分配一段区域，并将其与磁盘文件的某个区域（如整个文件或部分片段）建立映射关系
  
• 读写文件
  对映射内存的修改会被操作系统异步或同步地写回磁盘文件，无需用户手动调用write函数
  当进程访问映射区域的内存地址时，若对应的数据尚未加载到物理内存，系统通过缺页中断自动从磁盘文件读取数据并填充到物理内存
  

内存映射文件实现文件共享

这样，多个进程可以映射同一个文件，实现共享。
优点如下：

• 高效I/O
  避免传统 I/O 的用户空间与内核空间数据拷贝（如read需先将数据读入内核缓冲区，再复制到用户空间），直接通过内存访问操作文件，大幅提升大文件读写性能。
  
• 内存占用低
  文件内容按需加载（仅访问的部分被读取到内存），节省物理内存占用，方便处理大文件。
  
• 跨进程数据共享
  数据修改会实时反映到所有映射该文件的进程中
  

在此基础上，还演化出不关联任何磁盘文件，直接分配一段可共享的内存区域，实现进程间的内存共享。
常作为临时数据缓冲区

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