作業系統中的記憶體保護

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記憶體保護是作業系統的一個關鍵組成部分，它允許作業系統防止一個程序的記憶體被另一個程序使用。在現代作業系統中，記憶體保護至關重要，因為它允許多個程式同時執行而不會互相干擾各自的記憶體空間。

記憶體保護的主要目標是防止一個應用程式未經授權訪問RAM。當一個程序試圖訪問它無權訪問的記憶體時，作業系統的記憶體管理機制將介入並終止該程序。這阻止了程式獲取它不應該擁有的記憶體。

記憶體保護通常使用記憶體管理單元 (MMU) 來實現。MMU 是一個硬體元件，它將程式使用的虛擬地址對映到物理記憶體中的實際位置。MMU 負責將虛擬地址轉換為物理地址，並確保程式只能訪問已授予其訪問許可權的記憶體。

在現代作業系統中，記憶體保護通常透過一種稱為記憶體虛擬化的技術來實現。虛擬記憶體允許每個程式在它自己的虛擬地址空間中執行，MMU 將其對映到物理記憶體。這允許多個程式同時執行，每個程式都有不同的虛擬地址空間，但共享相同的物理記憶體空間。

不同的記憶體保護方法

分段

記憶體被分割成多個段，每個段可以有自己的一套訪問許可權。例如，作業系統核心段可以是隻讀的，而使用者資料段可以被指定為讀寫。

示例

例如，使用者 A 正在使用文字編輯器，而使用者 B 正在使用網路瀏覽器。為每個使用者的程式碼、資料和堆疊分配一個單獨的段。使用者 A 使用的文字處理程式的段與使用者 B 使用的網路瀏覽器程式的段完全隔離。

使用者 A 使用的文字處理程式只能使用或修改位於其指定段中的資料。如果程式試圖訪問其段之外的記憶體，則會發生段錯誤或訪問衝突，作業系統將終止程式以防止對其他段的未授權訪問。

分頁虛擬記憶體

在分頁虛擬記憶體中，記憶體被劃分為頁面，每個頁面可以儲存在物理記憶體中的不同位置。作業系統使用頁表來跟蹤頁面儲存的位置。這使作業系統能夠將頁面移動到物理記憶體的不同位置，並保護它們免受未授權訪問。

示例

作業系統為每個頁面設定訪問許可權來保護記憶體。例如，資料頁面可以被授予讀寫許可權，以便程式可以修改其內部狀態，而程式碼頁面可以被指定為只讀，以防止意外修改。系統程序的頁面可以根據其需求被授予不同的訪問許可權。

當一個應用程式試圖訪問特定記憶體位置時，虛擬記憶體管理單元 (VMM) 使用頁表將虛擬地址轉換為物理地址。頁表透過將虛擬頁面號對映到物理頁面號來標識資訊在物理記憶體中的確切位置。

保護鍵

每個記憶體頁面都有一組稱為保護鍵的位。這些位可以用來控制對頁面的訪問。例如，可以使用保護鍵來指定是否允許讀取、寫入或執行頁面。

示例

在一個伺服器上，使用者 A 執行一個包含私有客戶資訊的資料庫應用程式，而使用者 B 執行一個使用機器學習的演算法。作業系統使用保護鍵來強制執行這兩個程式之間的記憶體保護。

只有與使用者 A 的資料關聯的保護鍵才能使資料庫應用程式訪問記憶體。保護鍵確保資料庫應用程式或其他系統程序無法訪問使用者 B 的機器學習程式使用的記憶體位置。

類似地，使用者 B 的機器學習演算法在其分配的保護鍵的範圍內執行。這防止了對使用者 A 的資料或其他系統資源的未授權訪問，並將使用者 B 的訪問限制在其自己的記憶體。

優點

在系統中實施記憶體保護提供了許多好處。

以下是一些主要優點：−

• 提高穩定性 − 記憶體保護防止一個程式訪問另一個程式的記憶體區域，這可以提高系統穩定性並防止關鍵資料的丟失。

• 增強安全性 − 記憶體保護有助於防止對私有資訊的未授權訪問，因為作業系統將中斷並終止任何試圖訪問未授權記憶體的程式，從而防止安全漏洞。

• 更好的資源管理 − 記憶體保護允許多個程序同時執行而不會影響彼此的記憶體空間，從而提高系統資源管理的整體效率。

• 更有效的記憶體使用 − 虛擬記憶體保護策略可以最佳化記憶體使用，同時減少系統所需的RAM數量，允許多個程式共享相同的物理記憶體空間。

• 促進多工處理 − 記憶體保護允許多個程序同時執行，從而實現多工處理並同時執行多個程式。

缺點

在系統中實施記憶體保護提供了許多好處，但也有一些缺點，如下所示：−

• 開銷 − 保護記憶體需要額外的軟體和硬體資源，這可能導致更高的成本和降低的系統效率。

• 複雜性 − 記憶體保護增加了作業系統的複雜性，使開發、測試和維護更加困難。

• 記憶體碎片 − 虛擬記憶體可能會導致記憶體碎片，其中物理記憶體被分割成小而不可用的、非連續的塊。

• 侷限性 − 記憶體保護並非萬無一失，在某些情況下可能會被繞過。例如，惡意使用者可能會利用作業系統的漏洞來訪問另一個程序的記憶體區域。

• 相容性問題 − 一些較舊的軟體程式可能與記憶體保護功能不相容，從而限制作業系統保護記憶體免受未授權訪問的能力。

結論

現代作業系統中的記憶體保護提供了諸如穩定性、安全性、資源管理、高效的記憶體使用和多工處理等優點。但是，它也可能增加複雜性，導致效率降低，以及與舊軟體的相容性問題。