现代操作系统中程序为什么要分段

  现在PC平台的文件格式，主要是Windows下的PE和Linux的ELF，它们都是COFF格式的变种。COFF在目标文件里引入了段机制，不同的目标文件可以拥有不同数量及不同类型的段。

关于段式内存管理的分段：

Linux已经基本弃用了段式内存管理，段描述符表所有段基址都为0，大小为整个虚拟空间，直接把整个虚拟内存看成一整个段。也就是说，此处的内存分段只是用于糊弄CPU，与程序被映射到虚拟内存时划分的数据段、代码段等虚拟内存区域已经没有关系了。那么编译后的目标文件中分段的意义是什么。

主要有以下几个原因：

• 数据和指令被划分到两个虚拟内存区域，方便进行访问权限控制，防止程序指令被有意无意的改写。
• 对于现代CPU来说，有着极为强大的缓存体系，一般CPU的缓存被设计成数据缓存和指令缓存分离，所以分段有助于提高缓存命中率。
• 当系统运行着多个该程序的副本时，只需要保存一份指令部分。可以通过共享指令节省大量内存。

可执行文件与进程的虚拟空间的映射关系：

  这种映射关系只是保存在操作系统内部的一个数据结构。Linux中将进程虚拟空间中的一个段叫做虚拟内存区域（VMA）；在Windows中将这个叫做虚拟段（Virtual Section），其实他们都是同一个概念。

关于段寄存器：

8086CPU有4个16位的段寄存器：CS、DS、SS、ES，分别用于存放可执行代码的代码段、数据段、堆栈段和其他段的基地址。访问内存时，由段寄存器存储的地址*16加上一个相对地址得到一个20位内存地址。地址空间为2的20次方共1M。这种CPU工作模式被称为实模式。

后来，由于16位的段寄存器无法存放更大的段基址以及内存变大等原因。CPU引入了保护模式，段寄存器存放的不再是某个段的基地址，而是某个段的下标即控制信息。段基址存放在描述符表中，描述符表分成了全局描述符表GDT和局部描述符表LDT。

Intel设计的本意是，一些全局的段描述符，就放在“全局段描述符表(GDT)”中，一些局部的，例如每个进程自己的，就放在所谓的“局部段描述符表(LDT)”中。那究竟什么时候该用GDT，什么时候该用LDT呢？这是由段选择符中的T1字段表示的，=0，表示用GDT，=1表示用LDT。

Linux中，绝大部份进程并不例用LDT，除非使用Wine，仿真Windows程序的时候。

ELF中Section和Segment的区别：

  ELF可执行文件引入了一个概念Segment，一个Segment包含一个或多个属性类似的Section。很多时候Section也被翻译成段，并没有严格区分，但从链接的角度来看ELF文件是按照Section存储的；从装载的角度来看ELF文件可以按照Segment划分。系统按照代码段、数据段这种属性类似的Segment来映射可执行文件的。ELF可执行文件中有个数据结构叫程序头表（Program Header Table）用来保存Segment信息。

参考文献：

《程序员的自我修养》 俞甲子 石凡 潘爱民