Segment Fault!段错误的来龙去脉你知道吗?
本文主要根据 “Operating Systems: Three Easy Pieces” 第16章总结而来。
在本头条号的上一篇文章中，我们知道通过base/bounds 寄存器，操作系统可以把进程放到可用的物理地址内，让进程认为自己是独享的内存，而且操作系统还能保证进程间互不干扰。进程的地址空间示意图如下所示：
但是我们看到，上面的示意图中，堆和栈之间有很大一块空白区域，就算那块区域永远不会被进程用到，它也不会分配给别的进程。这样造成的问题首先是内存资源的浪费，其次，如果一个进程占用的内存太大，它甚至都找不到一块足够大的内存空间放置它。
为了解决这些问题，内存虚拟化引入了内存分段的技术。本节就具体来看这个技术的细节。
内存分段：base/bounds的推广
通过上面我们看到如果把进程的代码、堆、栈当做一个整体放入内存中，需要一对 base／bounds寄存器。现在我们不希望浪费堆、栈之间的内存区域，那么为什么不多加几个 base／bounds寄存器呢？事实上内存分段就是这样做的，因为进程的地址空间天然就被分成了三段，所以只要在MMU里面放置3对base/bounds寄存器，就能把代码段、堆、栈分成三个独立的段，每个段都有对应的base/bounds寄存器。示意图如下图所示：
可以看到，通过内存分段技术，没有内存空间被浪费了，而且内存地址翻译的方法也跟以前一样，只是说现在对应不同的段，有不同的基地址和界地址。我们平常写程序可能碰到“segmentation fault”这样的错误，一般指的就是访问的地址非法（比如超出了界地址的范围）。就算现在很多硬件不是使用这样的技术，这个错误信息还是被保存了下来并沿用至今。
但是上面的示意图的分段技术也引入了两个新的问题：
A. 如何判断需要翻译的虚拟地址是哪个段的？
我们说过，进程中的地址都是虚拟地址，虚拟地址要经过硬件被翻译成物理地址。由于内存被分段了，给定一个虚拟地址，硬件怎么知道该虚拟地址是哪个段的呢？这决定了用哪个段的base/bounds寄存器做地址翻译。 这里面有两种方法可供选择：
常用的是显式的方法：可以使用虚拟地址的前两位当做段的标志位。比如对于一个16位的地址，用最开头的 00 表示代码段，01 表示堆，11 表示栈，（注意这种假设里10没被用到），后面的14位地址当做偏移值。程序写起来也非常简单，示意代码如下所示：
隐式的方法：通过检测虚拟地址的生成方式。比如地址是PC指针，一般是代码段的地址，如果是SP栈指针，一般是栈地址，其他的就是堆地址。这种方法不太常用。
B. 怎么处理地址反向增长的问题？
通过内存分段的示意图我们看到，栈地址是反向增长的，偏移值越大它变的越来越小。对于这种情况，操作系统首先需要硬件MMU的帮助。在MMU中除了base/bounds寄存器，还有一个地方标记了地址增长的方向（比如一个标志位，存储这一段是正向增长还是反向增长）。然后做地址翻译的时候，如果是逆向增长，就用偏移量减去段空间的最大值，得到真正的负向偏移。界寄存器检查负向偏移的绝对值是否在范围之内。
代码段共享
随着计算机的发展，操作系统人员发现使用了分段技术以后，不同进程可以共享某些内存段，比如最常见的代码段。
当然了，为了支持代码段共享，操作系统也需要得到硬件的支持，主要是内存保护的标志位。为了让代码段共享变得安全，系统需要有一个标志位，标示该段是只读的，还是可读可写的。通过标记代码段是只读的，不同进程就可以安全地共享同一个代码段，而不用担心代码段被其他进程修改。虽然物理内存是共享的，但是对于单个进程来说，还是像它们独占了那个代码段一样。
操作系统算法也需要加入一段逻辑，即在修改内存区域值的时候，需要先判断该内存是否是只读的。
操作系统的作用
目前为止，我们已经看到了分段技术的基本原理，以及硬件在里面起到的作用。那么操作系统有什么问题需要解决呢？
首先是我们曾经讨论过的一个古老的问题：进程上下文切换。由于引入了分段，在进行上下文切换的时候，操作系统需要保存3对base/bounds寄存器的值，还需要保存地址增长方向的标志位，以及内存保护的标志位。
第二个是更重要也是更难的问题，可用的内存空间列表怎么维护。由于把内存分成了三段，每段的大小又不一样，当一个新进程开始运行的时候，操作系统需要寻找三块足够大小的内存区域放置这些段。随着进程越来越多，整个物理内存就会被分成大大小小很多段，每段之间会有一些空余的“洞”。对比与不分段进程内部的碎片，内存分段产生的“洞”被叫做外部碎片。
对于外部碎片的问题，有很多方法被用来尝试解决它。比如操作系统可以定时通过“压缩”整理外部碎片，操作系统把所有进程“停”下来，把它们的数据拷贝到一块连续的区域去，并同时改变它们的base/bounds地址。通过这种方式，操作系统可以有连续的更大的内存供分配使用。但是这种方式的代价比较大，需要让进程暂时停止运行。
一种更简单的方式是系统通过维护一个可用内存的列表，在列表中找可用的内存用于分配。查找的方法有很多，比如“best-fit”的方式是查找与要分配的内存大小最接近的内存块，“first-fit”是用列表中第一个找到的足够大小的内存块，其他的还有”worst-fit” 或者更复杂的比如 buddy 算法。
然而，正如有很多方法可以用，没有一个方法能完美解决外部碎片的问题，这些方法也只是一定程度缓解碎片化的问题。
总结
内存分段技术能帮助操作系统解决进程内空间浪费的问题，同时也让代码段共享成为可能，但是它也引入了外部碎片的问题。
另外内存分段技术还是不够灵活，它还有一个非常重要的问题没有解决。就是当有一大片内存，被用到的部分其实很少，但是它还是必须整个都放到物理内存中，这样也是一种浪费。而且，当进程虚拟空间的大小大于物理内存的时候，分段也放不下进程的全部大小，这时候分段技术也起不了作用了。
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