地址重定位与内存保护
复习
- 死锁是怎样形成的：四个必要条件与环形等待
- 怎样处理死锁：预防、避免、检测和恢复的取舍
- 地址空间：每个进程都以为自己独占一片连续内存
TL;DR
- 程序在写的时候并不知道自己将来会被装到内存的哪里
- 把它里面的地址调整到实际位置，叫重定位（relocation）
- 用一对基址 + 界限寄存器，可以同时完成重定位和保护
- 越界访问会被硬件拦下，触发异常交给内核
正文
上一章说，每个进程都以为自己独占一片连续内存。可现实是：程序被装进物理内存的哪个位置，事先根本不知道，旁边还挤着别人。
那么问题来了：程序里写的地址，凭什么能对得上真实的物理位置？
两个麻烦
先看看会撞上哪些麻烦：
- 重定位：程序在编译时把地址定在了“从 0 开始”的位置，可它实际可能被装到物理地址 5000 处。所有地址都得跟着挪，否则一执行就访问错地方。
- 保护：就算地址挪对了，也得防止程序越界访问——它凭什么只能碰自己那一段，而不能改隔壁进程甚至内核的数据？
麻烦看似两个，其实可以用一套机制一起解决。
基址加界限
最简单也最经典的做法，是给进程配一对寄存器：
- 基址寄存器：记录这个进程在物理内存里的起始地址
- 界限寄存器：记录这段内存有多长
程序给出的每个虚拟地址，硬件都先做一次检查，再做一次加法：
- 检查：地址是否小于界限？若大于等于界限，说明越界，立刻触发异常，交给内核处理
- 换算：物理地址 = 基址 + 虚拟地址
虚拟地址 v ──[检查 v < 界限]──> 物理地址 = 基址 + v
│
越界则异常
这样一来：
- 重定位：基址会随进程实际被装的位置而变，虚拟地址不用改
- 保护：界限把进程死死框在自己那一段里，越界就被硬件拦下
两个问题，一对寄存器就都办了。
一个能立刻感受到的好处
有了这套机制，进程可以被装到任意位置，也可以被整个挪走再挪回来。程序从头到尾都以为自己在“从 0 开始”的那片空间里，完全不必关心物理内存的排布。
不过，这套“一整段连续内存”的模型还是太粗糙：程序里的代码、数据和栈，需求各不相同，硬塞进一整段并不合适。能不能把它们分开管理？下一章，我们把内存切成“段”。
思考题
如果只有基址寄存器、没有界限寄存器，程序越界访问时会发生什么？界限寄存器究竟保护的是“内存”，还是“进程”？
小结
知识点
- 重定位：把程序里的地址调整到实际装载位置
- 保护：防止程序越界访问
- 基址寄存器给出起始位置，界限寄存器限制长度
- 硬件检查越界并完成地址换算
参考资料
- Wikipedia(zh)：重定位：relocation
- Wikipedia(zh)：内存保护：memory protection
思考题答案（仅供参考）
如果只有基址寄存器、没有界限寄存器，程序给出的地址照样会被换算成“基址 + 地址”，但它想加多少就加多少——越界的地址会落到别的进程甚至内核的地盘上，等于没有保护。所以界限寄存器保护的不是某一块内存本身，而是进程之间、以及进程与内核之间的隔离：它保证一个进程只能碰自己该碰的那一段。少了它，隔离和稳定就都无从谈起。
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设计师 | 南国微雪