内存分配与内存管理的一些理解

内存分配方式与内存分配算法

内存分配方式有两种，连续内存分配方式和离散内存分配方式。不一样的分配方式又有不一样的分配算法。

内存分配算法，其实就是：有一大块空闲的资源，如何合理地分配资源？内存分配的思想能够用到不少其余的领域。好比Java虚拟机是如何将内存分配与回收的？再好比文件系统是如何将磁盘块分配与回收的？其本质就是如何把空闲的资源分配出去，分配以后又如何回收？目标就是分配快，回收也快，并且还不浪费。那么，就须要根据资源的特色、以及应用场景作权衡从而选择何种方式进行分配与回收。

 

①连续内存分配方式

1）固定分区分配

将内存划分红若干个固定大小的块。将程序装入块中便可。内存划分红各个块以后，块大小再也不改变。固然，划分块的方式有：全部的块大小相等；划分的块大小不相等。

这种方式，在实际的内存分配以前，就已经知道了全部的内存块大小了。

 

2）动态分区分配

须要一个空闲表 或者 空闲链 来记录目前系统中空间的内存区域。在内存分配时，须要查找空间表或空闲链找到一块内存分配给当前进程。

 

动态分区分配算法：

a)首次适应法

b)循环首次适应法

c)最佳适应法

d)最坏适应法

e)快速适应法

 

3）可重定位分区分配

说白了，就是增长了内存移动的功能。因为若干次内存分配与回收以后，各个空闲的内存块不连续了。经过“重定位”，将已经分配的内存“紧凑”在一块（就相似于JVM垃圾回收中的复制算法）从而空出一大块空闲的内存出来。

”紧凑“是须要开销的，好比须要从新计算 地址，这也为何JVM垃圾回收会致使STW的缘由。

而离散分配方式--不论是分页仍是分段，都是直接将程序放到各个离散的页中。从而就不存在“紧凑”一说了。

 

连续内存分配方式涉及两种操做：内存分配操做 和 内存回收操做

 

②离散内存分配方式

内存资源是有限的，程序要运行，必须得加载到内存。若是内存已经满了，而如今又有新的程序要运行，怎么办？---SWAP

把当前不用的程序(数据)先换出内存，从而就有空间 加载当前须要运行的程序的一部分数据进入内存，这样大大提升了内存的利用率。

因为牵涉到换入与换出，前面的连续内存分配方式就有点不适用了。由于，最明显的一个问题：对于连续内存分配方式，究竟换出哪部分数据呢？

而这种只装入部分"数据"就可使程序运行的机制，就是虚拟存储器的本质。

 

1）分页存储管理

将进程的逻辑地址空间分红若干大小相等的页面；同时，也将物理内存分红相等大小的页面(称为块或frame)。在为进程分配内存时，以块为单位将进程的若干页 能够 装入到内存中多个不邻接的物理块中。

从上能够看出：“离散” 体如今：进程在内存中分配的空间(物理块)是不连续的。而对于连续分配方式，进程在内存的分配的空间是连续的。

如今考虑32位系统，每一个物理块的大小为4KB。如何把逻辑地址 转换成 物理地址？

对每一个进程而言，都有着本身的页表。页表的本质就是逻辑地址到物理地址的映射。

分页存储中的逻辑地址的结构以下：

1）因为进程的逻辑页面大小与物理块(页帧)大小相同，故都为4K，所以须要12个位表示4K的大小（2^12=4K），即图中的【0-11】

2）【12-31】表示的是页号。一共有20个位表示页号，也即：对于一个进程而言，一共能够有1M(2^20=1M)个页。

3）每一个进程的逻辑地址空间范围为0-2^32-1，由于：每一个页大小为4K，一共有1M个页。故进程可用的逻辑空间为2^32B

 

逻辑地址到物理地址的转换须要用到页表。具体细节是有一个“地址变换机构”，它有一个寄存器保存页表在内存的起始地址 以及 页表的长度。

上面提到，一个进程最多能够有1M个页，故页表就有1M个页表项。假设每一个页表项只有1B，那页表的大小也有1MB，因此：通常而言，页表也是很大的，不能全放在寄存器中，故页表也是存储在内存中的。（有些机器有“快表”，快表就是一个寄存器，它保存了页表中的部分表项）；其次，也可使用多级页表以解决单个页表太大的问题。

那如今给定一个逻辑地址，怎么知道其物理地址呢？

①将【12-31】位的页号与 页表的长度比较。页号不能大于页表长度，不然越界。

②根据页号 找到 该页号所在的页表项，即该页号对应着哪一个页表项。由于，页表项里面就存放着物理地址。

那如何查找页表项呢？将页号乘以页表项的长度（每一个页表项，其实就是一个逻辑的页 到 物理页 的映射信息），就知道了该逻辑页对应着哪一个页表项(根据页号匹配页表项通常是由硬件完成的)

而后，正如前面提到，页表也是保存在内存中的，故须要页表的内存始址（这是也为何地址变换机构 保存 页表在内存的起始地址的缘由），将页表始址 与 上面的乘积相加，就获得了该逻辑页对应的页表项的物理地址。读这个页表项的物理地址中的内容，就知道了该逻辑页对应的物理块地址（物理地址）。从而，就完成了逻辑地址到物理地址的转换。

从上面能够看出，CPU每存取一个数据时，须要两次访问主存。一次是访问页表项的物理地址，获得了数据的物理块地址。第二次拿着物理块地址去取数据。

在分页存储管理方式下：因为取一个数据，须要二次访存，CPU处理速度下降了一半，正因为这个缘由：引入了“快表”(又称TLB(Translation Lookaside Buffer))，快表是个寄存器，用来保存那些当前访问过的页表项。从而，读页表项时，不须要再访存了，而是直接从寄存器中读取。

 

虚拟存储器

谈到虚拟存储器，老是说它从逻辑上扩充了内存的容量，why?

内存是有限的，做业初始时保存在磁盘上的，若是要运行，必须得将相应的程序(数据)加载到内存中。那若是要运行的做业特别多，没法一会儿装入内存，怎么办？

一种方式是加内存条，这是从物理上扩充内存的容量。

另外一种方式是：先把做业的一部分程序(数据)装入内存，先让它运行着，运行过程当中发现： 咦，我还须要其余的数据，而这些数据还未装入内存，所以就产生中断(缺页中断)再将数据加载到内存。

采用这种方式，系统一次就能够将不少做业装入内存运行了。这时，从物理上看，内存仍是原来的大小，可是它能运行的做业多了，所以说从逻辑上扩充了内存。

将虚拟存储器这种思想与分页存储管理结合，一次只将做业的部分页面加载到内存中，造成了一个强大的内存分配与管理系统了。引入了虚拟存储器，一样须要有页表，记录逻辑地址到物理地址的映射，只不过此时的页表更复杂了，由于，有些页可能还在磁盘上。；还须要有缺页中断处理机构，由于毕竟只将一部分数据装入内存，会引发缺页中断嘛，就须要处理中断嘛；还须要地址变换机构，这里的地址变换机构功能更多，由于须要处理中断状况下的地址变换。

 

2）分段存储管理

与分页比较类似，不介绍了。