操作系统基础——内存管理
### 内存管理
#### 1. **分页（Paging）**
1. **定义**：
- 分页是一种内存管理技术，将物理内存分成固定大小的块，称为“页框”（Page Frame），同时将逻辑内存分成相同大小的块，称为“页”（Page）。
2. **页表（Page Table）**：
- 页表是一个数据结构，用于存储逻辑地址到物理地址的映射关系。
- 每个进程都有一个页表，页表条目（PTE）中包含物理页框的地址和一些控制信息。
3. **分页的优点**：
- **消除外部碎片**：因为内存分配以固定大小的页为单位，所以不会产生外部碎片。
- **简化内存管理**：内存分配和释放更加简单和高效。
4. **分页的缺点**：
- **页表开销**：每个进程都有自己的页表，页表可能会占用大量内存。
- **页表查找开销**：每次内存访问都需要查找页表，增加了访问时间。
#### 2. **分段（Segmentation）**
1. **定义**：
- 分段是一种内存管理技术，将逻辑内存划分成不同长度的段，每个段代表一种逻辑单元（如代码段、数据段、堆栈段）。
2. **段表（Segment Table）**：
- 段表是一个数据结构，用于存储段基址和段长度。
- 每个进程都有一个段表，段表条目（STE）中包含段的基址和长度。
3. **分段的优点**：
- **逻辑单元分隔**：不同类型的内存单元（如代码、数据、堆栈）可以分开管理，增加内存的安全性和可靠性。
- **灵活的内存分配**：段的大小可以根据需要动态调整。
4. **分段的缺点**（续）：
- **外部碎片**：因为段的大小不固定，内存中可能会产生未使用的小碎片。
- **段表开销**：每个进程都有自己的段表，段表可能会占用一定的内存。
#### 3. **分页和分段结合（Segmentation with Paging）**
1. **定义**：
- 分页和分段结合是一种综合内存管理技术，将逻辑内存先划分为段，每个段再划分为固定大小的页。
- 这种技术结合了分页和分段的优点，避免了它们各自的缺点。
2. **段页表（Segment Page Table）**：
- 每个段有一个页表，页表条目（PTE）中包含物理页框的地址和控制信息。
3. **优点**：
- **消除外部碎片**：因为内存分配以页为单位，所以不会产生外部碎片。
- **逻辑单元分隔**：不同类型的内存单元可以分开管理，增加内存的安全性和可靠性。
4. **缺点**：
- **复杂性增加**：分页和分段结合的机制增加了内存管理的复杂性。
- **双重开销**：既有页表开销，又有段表开销。
#### 4. **虚拟内存（Virtual Memory）**
1. **定义**：
- 虚拟内存是一种内存管理技术，通过使用磁盘空间扩展物理内存，使得进程可以使用比实际物理内存更大的地址空间。
**工作原理**：
- 虚拟内存将进程的地址空间划分成若干个页（Page），每个页可能在物理内存中或在磁盘上。
- 当进程访问一个不在物理内存中的页时，会产生页面故障（Page Fault）。
- 页置换算法用于决定在发生页面故障时，如何将不在物理内存中的页从磁盘加载到物理内存中，以及将哪个页从物理内存中移出以腾出空间。
- 当发生页面故障时，操作系统需要在物理内存中找到一个空闲的页框来加载所需的页。如果没有空闲的页框，则需要使用页置换算法决定哪个页被移出。
- 常见的页置换算法包括FIFO（First-In-First-Out）、LRU（Least Recently Used）、OPT（Optimal）等。
2. **页置换算法（Page Replacement Algorithms）**：
- **FIFO（First-In-First-Out）**：
最简单的算法，按页进入内存的顺序进行置换。
缺点：可能会置换掉常用的页，导致性能下降。
- **LRU（Least Recently Used）**：
置换最近最少使用的页，基于最近的访问历史。
缺点：实现复杂，需要维护访问历史。
- **OPT（Optimal）**：
理论上最优的置换算法，置换未来最久不会使用的页。
缺点：实际中无法实现，因为无法预知未来的访问情况。
- **其他算法**：
- **Clock**：也称为“二次机会”算法，结合了FIFO和LRU的思想。
- **NRU（Not Recently Used）**：根据最近的访问和修改情况进行置换。
3. **页面故障（Page Fault）**：
- **定义**：当进程访问的页不在物理内存中时，产生页面故障。
- **处理流程**：
1. 操作系统检测到页面故障。
2. 从磁盘中加载所需的页到物理内存中。
3. 更新页表，重新执行导致页面故障的指令。
**优点**：
- **扩展内存**：虚拟内存允许进程使用比实际物理内存更大的地址空间。
- **提高效率**：通过按需加载页，可以更高效地使用物理内存。
- **隔离性**：每个进程都有独立的虚拟地址空间，增强了进程间的隔离。
**缺点**：
- **性能开销**：页面置换和页面故障处理会带来性能开销。
- **复杂性**：管理虚拟内存和页表增加了系统的复杂性。
