操作系统中的内存保护

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内存保护是操作系统的一个关键组成部分，它允许操作系统防止一个进程的内存被另一个进程使用。在现代操作系统中，内存保护至关重要，因为它允许多个程序同时运行而不会互相干扰各自的内存空间。

内存保护的主要目标是防止一个应用程序未经授权访问RAM。当一个进程试图访问它无权访问的内存时，操作系统的内存管理机制将介入并终止该进程。这阻止了程序获取它不应该拥有的内存。

内存保护通常使用内存管理单元 (MMU) 来实现。MMU 是一个硬件组件，它将程序使用的虚拟地址映射到物理内存中的实际位置。MMU 负责将虚拟地址转换为物理地址，并确保程序只能访问已授予其访问权限的内存。

在现代操作系统中，内存保护通常通过一种称为内存虚拟化的技术来实现。虚拟内存允许每个程序在它自己的虚拟地址空间中运行，MMU 将其映射到物理内存。这允许多个程序同时运行，每个程序都有不同的虚拟地址空间，但共享相同的物理内存空间。

不同的内存保护方法

分段

内存被分割成多个段，每个段可以有自己的一套访问权限。例如，操作系统内核段可以是只读的，而用户数据段可以被指定为读写。

示例

例如，用户 A 正在使用文字编辑器，而用户 B 正在使用网络浏览器。为每个用户的代码、数据和堆栈分配一个单独的段。用户 A 使用的文字处理程序的段与用户 B 使用的网络浏览器程序的段完全隔离。

用户 A 使用的文字处理程序只能使用或修改位于其指定段中的数据。如果程序试图访问其段之外的内存，则会发生段错误或访问冲突，操作系统将终止程序以防止对其他段的未授权访问。

分页虚拟内存

在分页虚拟内存中，内存被划分为页面，每个页面可以存储在物理内存中的不同位置。操作系统使用页表来跟踪页面存储的位置。这使操作系统能够将页面移动到物理内存的不同位置，并保护它们免受未授权访问。

示例

操作系统为每个页面设置访问权限来保护内存。例如，数据页面可以被授予读写权限，以便程序可以修改其内部状态，而代码页面可以被指定为只读，以防止意外修改。系统进程的页面可以根据其需求被授予不同的访问权限。

当一个应用程序试图访问特定内存位置时，虚拟内存管理单元 (VMM) 使用页表将虚拟地址转换为物理地址。页表通过将虚拟页面号映射到物理页面号来标识信息在物理内存中的确切位置。

保护键

每个内存页面都有一组称为保护键的位。这些位可以用来控制对页面的访问。例如，可以使用保护键来指定是否允许读取、写入或执行页面。

示例

在一个服务器上，用户 A 运行一个包含私有客户信息的数据库应用程序，而用户 B 运行一个使用机器学习的算法。操作系统使用保护键来强制执行这两个程序之间的内存保护。

只有与用户 A 的数据关联的保护键才能使数据库应用程序访问内存。保护键确保数据库应用程序或其他系统进程无法访问用户 B 的机器学习程序使用的内存位置。

类似地，用户 B 的机器学习算法在其分配的保护键的范围内运行。这防止了对用户 A 的数据或其他系统资源的未授权访问，并将用户 B 的访问限制在其自己的内存。

优点

在系统中实施内存保护提供了许多好处。

以下是一些主要优点：−

• 提高稳定性 − 内存保护防止一个程序访问另一个程序的内存区域，这可以提高系统稳定性并防止关键数据的丢失。

• 增强安全性 − 内存保护有助于防止对私有信息的未授权访问，因为操作系统将中断并终止任何试图访问未授权内存的程序，从而防止安全漏洞。

• 更好的资源管理 − 内存保护允许多个进程同时运行而不会影响彼此的内存空间，从而提高系统资源管理的整体效率。

• 更有效的内存使用 − 虚拟内存保护策略可以优化内存使用，同时减少系统所需的RAM数量，允许多个程序共享相同的物理内存空间。

• 促进多任务处理 − 内存保护允许多个进程同时运行，从而实现多任务处理并同时运行多个程序。

缺点

在系统中实施内存保护提供了许多好处，但也有一些缺点，如下所示：−

• 开销 − 保护内存需要额外的软件和硬件资源，这可能导致更高的成本和降低的系统效率。

• 复杂性 − 内存保护增加了操作系统的复杂性，使开发、测试和维护更加困难。

• 内存碎片 − 虚拟内存可能会导致内存碎片，其中物理内存被分割成小而不可用的、非连续的块。

• 局限性 − 内存保护并非万无一失，在某些情况下可能会被绕过。例如，恶意用户可能会利用操作系统的漏洞来访问另一个进程的内存区域。

• 兼容性问题 − 一些较旧的软件程序可能与内存保护功能不兼容，从而限制操作系统保护内存免受未授权访问的能力。

结论

现代操作系统中的内存保护提供了诸如稳定性、安全性、资源管理、高效的内存使用和多任务处理等优点。但是，它也可能增加复杂性，导致效率降低，以及与旧软件的兼容性问题。