操作系统原理之内存(一)

一.内存地址重定位

在汇编指令中，我们有时会看到如下指令：

.text
.entry:    代码入口
     call  40
- main:
    .......

那么这里的40指向的是内存中的哪个位置呢？是内存的实际地址吗？

　　显然，如果是实际地址的话我们的程序必须被装载在内存0地址处，但这样做肯定是存在问题的，一方面，如果这样的话每个程序都要放到0地址处；另一方面，内存0地址

处已经被操作系统占用。

     因此，这里的40必然是一个逻辑地址(或相对地址)

     那么，程序在内存中需要修改源代码中的逻辑地址，改为实际物理地址(如上图程序被加载到内存1000处时40和300都被修改了)，因为程序并不是始终存在于内存的同一位置的，在被换出(swap out)内存并再次换入(swap in)时很可能并不会被加载到同一位置，所以编译时确定实际物理地址是不可取的；在这里，更可行的方式是运行时动态加上一个基地址(base)。

 

(如图中所示，操作系统进行内存调度，将部分程序换出，将其他程序换入)

   那么这个基地址被存放在哪里呢？在Linux中，基地址会被存到PCB中。在操作系统里每个进程都有一个数据结构与之对应，被称为PCB(进程控制块)，当我们fork()一个进程的时候实际上是创建了一个PCB并从其父进程的PCB哪里继承一些数据，并将这个数据结构插入到系统的进程树中。

所以，整体大概是如下流程：

    编译程序->fork出PCB(进程)->在内存中找到空闲的内存空间->将这段空间的基地址赋值给PCB中的base字段->载入程序->执行每行程序时将源码中的地址与PCB中的基地址相加。

    当然为了提高效率当操作系统切换到当前进程时base字段会被放入寄存器中，所以相加是在寄存器中进行，而且CPU本身为这种操作提供了硬件支持--MMU（内存管理单元）。

二.内存的分段机制

    我们在平时玩游戏或写代码时，认为我们所使用的进程(比如游戏程序或eclipse)是整个存在于内存中的，而事实上呢？

    如果您学过一些汇编或C/C++的话，可能会很自然地认为进程是如下组成的：

    

     进程分为几个段，每个段都有自己的特点，有不同的用途，而事实上就像上图所示，我们前文所讲的0地址并不是整个程序从0开始，而是程序中的每个段都从0开始，

程序的这几个段有的只读（如代码段），有的可写（如数据段），如果同一处理的话明显会造成混乱，比如错误地写了程序段等。

     因此程序在加载时并非整个一起加载进内存，通常是分段加载。

     所以，在加载段进内存时，地址重定位就与之前加载整个程序进内存有所不同：

　　这种情况下，定位一个地址就变为段的基地址+段内偏移量，如果使用之前那种加载整个进程的方式，PCB中只需要存放一个程序基地址，而分段加载则需要

存放每个段的基地址，这样仅仅使用一个base字段是满足不了的，在PCB中必须保存一个表用来保存每个段的基地址：

　　如上图，根据进程段表，汇编指令运行时会进行重定位，过程如下：比如执行图中第一条mov指令，会在段表中找到DS段的基地址360k，再于100相加，这才是

实际地址。

     每个Linux中的进程都会使用一个进程段表(LDT表)，而操作系统本身也是一个进程，它也同样使用的进程段表(GDT表)。

     因此，我们进程地址重定向的一个整体流程变为：

     编译程序-->创建PCB-->程序中的某个段(如代码段)找到一个空闲的内存空间-->将内存基地址存入PCB中的LDT表里-->其它段载入过程类似

     -->执行程序，将逻辑地址和LDT表中该段的基地址相加。

三.内存分区和分页

     1.内存分区

    前文提到我们需要将首先我们的程序需要载入内存，在载入时需要在内存中找到空闲区域，因此必须将内存事先分割成不同区域，那么如何分割内存才合理呢？

首先，我们可能会想到将内存等分为n个区域，但这明显是不合理的，因为我们的程序占用空间大小不一，每个段需要的空间亦不相同。

一种很自然地想法是，根据每个段实际需要的大小进行分配，并记录已经占用的空间和剩余空间：

 

    

 

 

 

            

    这样，当一个段请求内存时，就到空闲分区中申请一段内存，并在已分配分区表中记录这一过程。

    内存适配：

       当一个段请求内存时，如果有内存中有很多大小不一的空闲位置，那么选择哪个最合理？

       1. 首先适配：空闲分区表中选择第一个位置(优点：查表速度快)

       2. 最差适配：选择一个最大的空闲区域

       3. 最佳适配：选择一个空闲位置大小和申请内存大小最接近的位置，比如申请一个40k内存，而恰巧内存中有一个50k的空闲位置(这里最佳并不意味着最好，

         因为最佳适配可能导致大量内存碎片)

   2.内存分页

    尽管分区的方式解决了申请内存的问题，但很明显的是其会带来大量的内存碎片，意思是尽管我们内存中仍然存在很大空间，但全部都是一些零散的空间，当申请

大块内存时会出现申请失败。如图中所示，灰色区域为内存碎片。

为了不使这些零散的空间浪费，操作系统会做内存紧缩，即将内存中的段移动到另一位置。但明显移动进程是一个低效的操作。

这就引入了内存分页的机制：

     如图中所示，如果操作系统实现将内存分割成多个页框，而段申请内存时按页分配，这样的话，一个段最多浪费一个页框。也就不需要做耗时的内存紧缩操作了。

但如上图所示，一个段会被分割到多个页框中，显然，我们的内存重定位方式需要进一步改变。

 

 

 

待续。。。。

参考资料：

    哈工大操作系统公开课:http://mooc.study.163.com/course/HIT-1000003007

    Linux原理图和PCB:http://blog.csdn.net/kangear/article/details/41940091