动态重定位技术

动态重定位是一种在程序执行时（运行时） 才确定其物理内存地址的技术。

简单来说，一个程序在编译和链接后，其指令和数据中的地址通常是从0开始的逻辑地址（或虚拟地址）。当程序要被加载到内存中执行时，操作系统会为它分配一段物理内存空间。这段空间的起始地址在编译时是未知的。动态重定位的任务，就是在程序运行时，将程序代码中的逻辑地址实时地转换为正确的物理地址。

想象一个剧本（编译好的程序），里面的舞台指示都是“从舞台左侧起点开始，向前走3步”（这是逻辑地址）。

现在，这个剧团（操作系统）可以在不同的剧院（物理内存）演出。每个剧院的舞台布局都不同，左侧起点在剧院中的实际位置（物理内存的起始地址）也不同。

静态重定位（对比项）：就像为每个剧院重新抄写一遍剧本，把所有“走3步”都改成“从A点走3步”。这很麻烦，而且剧本一旦抄好，就不能换到另一个剧院演出了。

动态重定位：剧团有一个舞台总监（硬件：内存管理单元MMU）。演出时，演员（CPU）依然按照剧本说“走3步”，舞台总监（MMU）会立刻在心里计算：“这个剧院的起点在B位置，所以‘走3步’实际上是走到 B+3 的位置”，并引导演员走到正确的地方。

这个“B”，就是重定位寄存器 里存放的值。

动态重定位的实现依赖于一个关键的硬件部件：内存管理单元 和一个特殊的寄存器：重定位寄存器。

编译和链接：程序被编译和链接，生成一个从地址0开始的逻辑地址空间。程序中的所有内存访问都使用这个逻辑地址。
加载程序：当操作系统决定运行这个程序时，它会为程序在物理内存中找出一块连续的可用区域，然后将程序的代码和数据加载到这块区域中。假设这块物理内存的起始地址是 X。
设置重定位寄存器：操作系统将上面提到的起始地址 X 放入该进程对应的重定位寄存器中。
运行时地址转换：当CPU执行该程序的一条指令，需要访问内存（无论是取指令还是读写数据）时，CPU发出的都是逻辑地址（比如 Y）。
- 这个逻辑地址 Y 会被送到 MMU。
- MMU 将逻辑地址 Y 与重定位寄存器中的值 X 相加，得到物理地址 X + Y。
- MMU 使用这个计算出的物理地址 X + Y 去访问真正的物理内存。

整个过程对程序本身是完全透明的，程序以为自己一直在从0开始的地址上运行，但硬件和操作系统在背后默默地完成了所有的地址转换工作。

支持多道程序设计：这是最重要的优点。不同程序可以被加载到内存的不同位置，只需要为每个程序设置不同的重定位寄存器值即可。多个程序可以同时在内存中，互不干扰。
程序可以移动：在程序执行过程中，操作系统为了进行内存碎片整理，可能需要将整个程序从内存的一块区域移动到另一块区域。此时，操作系统只需要暂停该进程，更新重定位寄存器的值，然后恢复运行即可。程序本身无需任何修改。
简化链接和加载：链接器可以生成统一的从0开始的代码，无需关心程序最终会被加载到何处。

需要硬件支持：必须要有MMU和重定位寄存器这样的硬件支持，无法在非常简单的嵌入式系统上实现。
无法提供内存保护：基础版本的动态重定位（只有一个重定位寄存器）只能进行地址转换，但无法防止一个程序访问其他程序的内存空间或操作系统的内存空间。为了解决这个问题，现代操作系统使用了更复杂的技术，即分段和分页。
- 界限寄存器：通常与重定位寄存器配对使用，用于检查地址是否越界，提供了基本的保护。
- 分页：现代操作系统最常用的内存管理方案，它结合了动态重定位的思想，并提供了强大的内存保护和共享机制。

特性	动态重定位
发生时间	运行时
核心硬件	内存管理单元，重定位寄存器
核心过程	物理地址 = 逻辑地址 + 重定位寄存器值
主要优点	支持多道程序、程序可移动、简化链接
主要局限	基础版本缺乏完善的内存保护，需要更复杂的分段/分页机制来补充