【操作系统学习】内存管理（二）

内存管理目录：

1. 操作系统内存管理方面的任务

抽象：逻辑地址空间。不需要考虑复杂的实际物理地址空间。
保护：独立地址空间。进程之间程序运行不相互影响。
共享：访问相同内存。
虚拟化：更多的地址空间。最需要的放到内存中。

2. 在操作系统中管理内存的不同方法

程序重定位(逻辑地址和物理地址转换)
分段
分页
虚拟内存
按需分页虚拟内存

实现高度依赖于硬件。

必须知道内存架构。

MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求。

3. 一种简单的内存管理方法

当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间。
分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据。
碎片问题
- 外碎片：还没有分配出去（不属于任何进程），但由于太小了无法分配给申请内存空间的新进程的空闲区域。
- 内碎片：已经分配出去（明确指出属于哪个进程），却不能被利用的内存空间。

4. 连续分配策略

(1) 首次适配

需求

按地址排序的空闲块列表
分配需要寻找一个合适的分区
重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区

优势

简单
易于产生更大的空间块

劣势

外部碎片问题
不确定性

(2) 最优适配

为了避免分割大空闲块
为了最小化外部碎片产生的尺寸
需求
- 按尺寸排列的空闲块列表
- 分配需要寻找一个合适的分区
- 重分配需要搜索及合并于相邻的空闲分区
优势
- 当大部分是小尺寸时非常有效
- 比较简单
劣势
- 外部碎片
- 重分配慢
- 易产生很多没用的微小碎片

(3) 最差适配

为了避免有太多微小的碎片
需求；
- 按尺寸排列的空闲块列表
- 分配很快（获得最大的分区）
- 重分配需要合并于相邻的空闲分区，若有，然后调整空闲块列表
优势
- 假如分配是中等尺寸效果最好
劣势
- 重分配慢
- 外部碎片
- 易于破碎大的空闲块以致打分去无法被分配

5. 碎片整理

压缩式碎片整理
- 移动内存空间，减少碎片。
交换式碎片整理
- 内存中没有空间，借用硬盘上的空间。当前没有用的程序放到硬盘。

6. 非连续内存分配

连续内存分配的缺点：
- 分配给一个程序的物理内存是连续的
- 内存利用率低
- 有外碎片和内碎片问题
非连续分配的优点：
- 一个程序的物理地址空间是非连续的
- 更好的内存利用和管理
- 允许共享代码与数据（共享库等…）
- 支持动态加载和动态链接
非连续分配缺点
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换？
  硬件方案/软件方案

两种硬件方案

分段（更好的分类和共享）
- 程序的分段地址空间
- 分段寻址方案
分页（绝大多数CPU使用）
- 划分物理内存至固定大小的帧
- 划分逻辑地址空间至相同大小的页
- 建立方案：转换逻辑地址为物理地址(pages to frames)
  页表和MMU/TLB

物理地址
M(Frame)
· 物理内存被分割为大小相等的帧
一个内存物理地址是一个二元组亿。）
丆一帧号俨位，共有 Y 个帧）
0
。一帧内偏移 0 位，每帧有 2S 字节）
物理地址 =2S xf + 。
物理地址
addr.
1
0
（ 0 ， 0 ）

7. 分页机制

一个程序的逻辑地址空间被划分为大小相等的页

页内偏移的大小=帧内偏移的大小
页号大小<>帧号大小

页寻址机制
程序尸
页表保存了逻辑地址 “ 物
CPU 理地址之间的映射关系
尸
0
20 10 9
16 10 9
逻辑地址
物理地址
帧号
页号
页表基址

页寻址机制

页映射到帧
页是连续的虚拟内存
帧是非连续的物理内存
不是所有的页都有对应的帧

地址转换的实例
， 1023 ）
具有 16 位地址的系统
》 32KB 的物内存
每的 1024 by 《 c
（ 4 ， 0 ）
0 ， 1023 ）
CPU
Il
页表
物理地址
逻辑地址
F 《 ag 、 Frame num
（ 0 ，明

分页机制的性能问题

访问一个内存单元需要2次内存访问
页表可能非常大
解决方法
- TLB：空间换时间
- 间接访问（二级页表/多级页表）：时间换空间

Translation Look-aside Buffer (TLB)
缓存近期访问的页帧转换表项
TLB 使用 a 艹跹誦 ve mem 。引关联内存）实现，
具各快速访问性能
如果 TLB 命中，物理页号可以很快被获取
龙如果 TLB 未命中，对应的表项被史新到 TLB 中。
逻辑地址
Key
CPU 中的快表 II„B
物理地址
到 0 鼕、 Frame num
内存中的页表 (PageTable)