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内存分页与内存分段是操作系统管理虚拟内存的方式。
分段：将进程内存分为代码分段、数据分段、栈段、堆段等逻辑分明的段。能产生连续的物理空间。容易造成内存碎片，内存交换率低。 分页：将物理内存与虚拟内存都分为一个个固定大小的页，内存以页为单位分配、回收、释放。适配局部性原理，碎片利用率高，可以不加载整个内存。
前置知识：[[Linux 内存 —— 虚拟内存]]
内存分段
内存分段是操作管理虚拟地址与物理地址之间关系的方式之一。
[!important] 程序是由若干个逻辑分段组成的，可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段（Segmentation）的形式把这些段分离出来。
如何映射
分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段内选择子和段内偏移量。
- 段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。
- 段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。
有一些不足之处：
- 第一个就是内存碎片的问题。
- 第二个就是内存交换的效率低的问题。
内存碎片
内存碎片的问题共有两处地方：
- 外部内存碎片，也就是产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载；
- 内部内存碎片，程序所有的内存都被装载到了物理内存，但是这个程序有部分的内存可能并不是很常使用，这也会导致内存的浪费；
解决外部内存碎片的问题就是内存交换。
步骤：
- 将程序内存写到磁盘上
- 从磁盘上读回内存，并整合内存碎片
[!info] 可以把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的时间 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。
这个内存交换空间，在 Linux 系统里，也就是我们经常看到的 Swap 空间，这块空间是从硬盘划分出来的，用于内存与硬盘的空间交换
内存分页
分段的好处就是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题。
要解决这些问题，那么就要想出能少出现一些内存碎片的办法。另外，当需要进行内存交换的时候，让需要交换的写入或者从磁盘装载的数据更少一点，这样就可以解决问题了。这个办法，也就是内存分页（Paging）。
页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 （MMU） 中，于是 CPU 就可以直接通过 MMU，找出要实际要访问的物理内存地址。
[!important] 分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定大小的页（Page）。一个页是一个连续并且尺寸固定的内存空间。在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。
虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射，如下图：
如何解决内存碎片、内存交换效率低
由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生内存碎片的原因。而采用了分页，那么释放的内存都是以页为单位释放的，也就不会产生无法给进程使用的小内存。
如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。
更进一步地，分页的方式使得我们在加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。我们完全可以在进行虚拟内存和物理内存的页之间的映射之后，并不是真的把页加载到物理内存里，而是只有在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存里面去。
如何映射
在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址，见下图。
三个步骤：
- 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
- 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
- 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。
局部性与 Cache
在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。
可把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件，于是加入了一个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer） ，通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。
段页式内存管理
段页式内存管理实现的方式：
- 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；
- 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；
这样，地址结构就由段号、段内页号和页内位移三部分组成。
段页式地址变换中要得到物理地址须经过三次内存访问：
- 第一次访问段表，得到页表起始地址；
- 第二次访问页表，得到物理页号；
- 第三次将物理页号与页内位移组合，得到物理地址。
可用软、硬件相结合的方法实现段页式地址变换，这样虽然增加了硬件成本和系统开销，但提高了内存的利用率。