操作系统学习笔记：内存管理

操作系统学习笔记：内存管理

内存是现代计算机运行的中心（居然不是CPU!）。内存有很大的一组字或字节组成，每个字或字节都有地址。

CPU根据程序计数器从内存中提取指令。CPU所能直接访问的存储器只有处理器内的寄存器和内存。通常，程序存储在磁盘上，执行的时候，程序被调入内存。那么CPU怎么找到它们呢？

通常，将指令与数据绑定到内存地址有以下几种情况：

1）编译时，进程在内存中的驻留地址就已经确定，生成的是绝对代码

2）加载时，编译器生成的是重定位代码，绑定延迟到加载时才进行

3）执行时，绝大多数操作系统采用

一、背景

1、逻辑地址与物理地址

CPU所生成的地址称为逻辑地址，而内存单元对应的地址（即加载到内存地址寄存器的地址）称为物理地址。从逻辑地址到物理地址的映射由硬件设备（内存管理单元，MMU）完成。用户只生成逻辑地址，这些地址在使用前必须映射到物理地址。用户程序决不会看到真正的物理地址。

2、动态加载及DLL

如果一个进程的整个程序和数据必须处于物理内存中，那么进程的大小会受物理内存大小所限制。可以使用动态加载，子程序只在调用时才被加载。动态加载无须操作系统特别支持，这是程序员的工作。

除此而外，可以使用DLL。DLL与动态加载不同，通常需要操作系统的帮助，因为DLL可以被多个进程共用，只有操作系统可以检查其他进程的内存空间。

DLL有版本的区别，不同版本的库都可以装入内存。

二、交换

进程需要在内存中以便执行，但进程可以暂时从内存中换出（swap）到备份存储上，当需要再次执行时再回到内存中。

交换有一些策略，比如基于优先级。

三、连续内存分配

内存通常分为两个区域：驻留操作系统 + 用户进程。

通常需要将多个进程同时放在内存中，因此需要考虑如何为输入队列中的进程分配内存空间。采用连续内存分配时，每个进程位于一个连续的内存区域。

最简单的内存分配方法之一就是将内存分为多个固定大小的分区，每个分区只能容纳一个进程。这种方法现在已不再使用。

有一种固定分区的升级版是可变分区，操作系统有一个表记录内存的使用情况。一开始，所有内存都可用于用户进程，作为一大块可用内存，称为“孔”。当有新进程需要内存时，就为它寻找一块足够大的孔。如果找到，从该孔中进行分配，孔剩余部分可以下次使用。

寻找孔的算法有

1）首次适应。找到第一块足够大的孔就停止。

2）最佳适应，全表扫描，找到最小且合适的一块。

3）最差适应，全表扫描，找到最大且合适的一块。

三种算法中，最差适应最差，首次适应比最佳适应快一点点。但是，后二者产生的外部碎片问题（分区方法产生外部碎片，分页产生内部碎片）也比最差适应要严重。解决之道是紧缩（靠，SQL SERVER也有碎片问题，也是靠索引重建或收缩来解决）。所谓的紧缩就是移动内存内容，以便将空闲空间合并成一块。但并非所有情况都适用紧缩。如果内存物理地址重定位是静态的，在汇编或装入时进行，没问题，但如果是在运行时才进行就开销太大。

另一种解决方案是允许物理地址为非连续。这种方案就是以下的：分页和分段。

四、分页

分页允许进程的物理地址空间非连续。

分页避免了将不同大小的内存块匹配到交换空间上这样的麻烦。因为备份存储也有与内存相关的碎片问题，并且访问速度更慢，因此不适宜合并。而分页是将物理内存划分为固定大小的块，可以避免外部碎片。分页由于其优越性为绝大多数操作系统所采用。

分页由硬件支持。不过，最新的趋势是通过硬件和OS相配合，尤其是在64位微处理器上。

1、基本方法

分页方案中，物理内存划分为固定大小的的块，称为帧（frame）；与之对应，逻辑内存也分为同样大小的块，称为页。同样，备份存储也有同样大小的块。大小由硬件决定，通常为2的幂，以方便将逻辑地址转换为页号和页偏移。

p：页号

d：页偏移量

f：帧号

由CPU生成的每个地址分为2部分：页号（p）和页偏移（d）。p作为页表的索引，页表包含每页所在物理内存的基地址，基地址 + 页偏移 = 物理地址。如图

采用分页技术不会产生外部碎片，但可能又内部碎片。因为进程所要求的内存不一定是页的整数倍。页究竟取多大的值，这是个问题。

分页的一个特点是用户视角的内存和实际的物理内存分离。从用户角度看，用户程序将内存作为一整块来处理，并且整个内存只有它自己存在。但事实上，上面有各种各样的进程，并且物理地址分布可能是不连续的。

这种差异，通过硬件进行映射转换。而这一切，对用户来说是透明的，但受操作系统控制。用户程序不能越界访问，无法访问其页表规定之外的内存。

由于操作系统管理物理内存，它必须清楚物理内存的分配细节，知道帧的使用情况，可用数，总数，等等。这些信息通常保存在帧表的数据结构中。

2、硬件支持

操纵系统如何维护页表？

绝大多数是为每个进程分配一个页表，页表指针与其他寄存器一起存入进程控制块中。

页表可以用一组专用的寄存器来保存，这是效率最高的方法。但只适用于页表不大的情况。

如果页表非常大，如1百万个条目，就需要存放在内存，用页表基寄存器指向页表。改变基寄存器就可以切换页表，快得很。

不过由此而来的问题是，采用这种方案，访问一个字节现在需要2次内存访问，相对于原来速度减半。这种延迟是无法忍受的。对这个问题的解决方案是采用硬件缓冲：转换表缓冲区，TLB。TLB只维护页表中的一小部分条目，逻辑地址转换物理地址过程中，先在TLB中查找，如果找到，那么物理地址唾手可得；如果TLB中没有，那么使用置换算法，将相关条目置换进TLB，然后再得到物理地址。

3、保护

分页环境下，内存保护通过每个帧的关联保护位来实现。通常，这些位于页表中。

这个位，定义一个页是可读写还是只读。

还可以定义一个有效-无效位。当该位为有效时，表示该页在进程的逻辑地址空间内，是合法的页，否则属非法地址。一个进程很少会使用其所有的地址空间，而只使用一小部分。

4、共享页

分页的另一个好处是可以共享公共代码。

五、页表结构

1、层次页表

对于一个进程，一个页表已经可以对应不少的条目，比如说，100万条，那就是100万个内存地址。如果还不够，那么页表可以再分层级，将页表再分页。原先的逻辑地址是

页码 + 页偏移

，现在页表分层后，变为 页码 + 页偏移 + 页偏移

2、哈希页表

处理超过32位地址空间的常用方法是使用哈希页表。

哈希页表的条目包括一个链表的元素，每个元素有3个域：1）虚拟页码 2）物理帧号 3）指向链表中下一个元素的指针。其中虚拟页码作为哈希值。（所谓虚拟页码，应该就是页码、页号）

算法主要是凭页码得到哈希值，在哈希表中获得对应条目，找到物理帧号。

3、反向页表

为避免页表条目是否必须，都罗列在页表中，从而造成页表臃肿庞大的毛病，也可以采用反向页表。真正使用的帧才在反向页表中有一个条目。整个系统只有一张页表，对每个物理内存帧只有一个条目，条目包含对应逻辑内存页的地址，及进程号等。主要的问题是内存共享有点麻烦。

六、分段

分页的问题是用户视角的内存和实际物理内存分离，逻辑内存需要映射到物理内存。

但对于我们程序员来说，内存是一个集合，里面有各种变量、对象，通过名字、指针来调用，而不关心它们到底位于什么位置。

分段（segmentation)就是一种支持这种用户视角的内存管理方案。逻辑地址空间由一组段组成。与分页比较，其最大的不同是不固定大小。其余根据段号 + 偏移来获得物理地址，与分页似乎并无大的不同。

进程的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。例程序段、数据段等。每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间。因此，分段方案中，逻辑地址是二维的。

七、分页与分段的主要区别分页和分段有许多相似之处,比如两者都不要求作业连续存放.但在概念上两者完全不同,主要表现在以下几个方面:(1)页是信息的物理单位,分页是为了实现非连续分配,以便解决内存碎片问题,或者说分页是由于系统管理的需要.段是信息的逻辑单位,它含有一组意义相对完整的信息,分段的目的是为了更好地实现共享,满足用户的需要.(2)页的大小固定,由系统确定,将逻辑地址划分为页号和页内地址是由机器硬件实现的.而段的长度却不固定,决定于用户所编写的程序,通常由编译程序在对源程序进行编译时根据信息的性质来划分.(3)分页的作业地址空间是一维的.分段的地址空间是二维的.

打个比方，比如说你去听课，带了一个纸质笔记本做笔记。笔记本有100张纸，课程有语文、数学、英语三门，对于这个笔记本的使用，为了便于以后复习方便，你可以有两种选择。第一种是，你从本子的第一张纸开始用，并且事先在本子上做划分：第2张到第30张纸记语文笔记，第31到60张纸记数学笔记，第61到100张纸记英语笔记，最后在第一张纸做个列表，记录着三门笔记各自的范围。这就是分段管理，第一张纸叫段表。第二种是，你从第二张纸开始做笔记，各种课的笔记是连在一起的：第2张纸是数学，第3张是语文，第4张英语……最后呢，你在第一张纸做了一个目录，记录着语文笔记在第3、7、14、15张纸……，数学笔记在第2、6、8、9、11……，英语笔记在第4、5、12……。这就是分页管理，第一张纸叫页表。你要复习哪一门课，就到页表里查寻相关的纸的编号，然后翻到那一页去复习

四．段页式存储管理

1．基本思想：分页系统能有效地提高内存的利用率，而分段系统能反映程序的逻辑结构，便于段的共享与保护，将分页与分段两种存储方式结合起来，就形成了段页式存储管理方式。在段页式存储管理系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，然后再将每段分成若干个大小相等的页。对于主存空间也分成大小相等的页，主存的分配以页为单位。

参考文章：

​​http://blog.sina.com-/s/blog_4692ea0a0101j4ss.html​​

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