操做系统学习笔记：内存管理

内存是现代计算机运行的中心（竟然不是CPU!）。内存有很大的一组字或字节组成，每一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。一般，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？

一般，将指令与数据绑定到内存地址有如下几种状况：

1）编译时，进程在内存中的驻留地址就已经肯定，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，绝大多数操做系统采用

1、背景

一、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。

二、动态加载及DLL

若是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。动态加载无须操做系统特别支持，这是程序员的工做。

除此而外，可使用DLL。DLL与动态加载不一样，一般须要操做系统的帮助，由于DLL能够被多个进程共用，只有操做系统能够检查其余进程的内存空间。

DLL有版本的区别，不一样版本的库均可以装入内存。

2、交换

进程须要在内存中以便执行，但进程能够暂时从内存中换出（swap）到备份存储上，当须要再次执行时再回到内存中。

交换有一些策略，好比基于优先级。

3、连续内存分配

内存一般分为两个区域：驻留操做系统 + 用户进程。

一般须要将多个进程同时放在内存中，所以须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，每一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，每一个分区只能容纳一个进程。这种方法如今已再也不使用。

有一种固定分区的升级版是可变分区，操做系统有一个表记录内存的使用状况。一开始，全部内存均可用于用户进程，做为一大块可用内存，称为“孔”。当有新进程须要内存时，就为它寻找一块足够大的孔。若是找到，从该孔中进行分配，孔剩余部分能够下次使用。

寻找孔的算法有

1）首次适应。找到第一块足够大的孔就中止。

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。可是，后两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。但并不是全部状况都适用紧缩。若是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，但若是是在运行时才进行就开销太大。

另外一种解决方案是容许物理地址为非连续。这种方案就是如下的：分页和分段。

4、分页

分页容许进程的物理地址空间非连续。

分页避免了将不一样大小的内存块匹配到交换空间上这样的麻烦。由于备份存储也有与内存相关的碎片问题，而且访问速度更慢，所以不适宜合并。而分页是将物理内存划分为固定大小的块，能够避免外部碎片。分页因为其优越性为绝大多数操做系统所采用。

分页由硬件支持。不过，最新的趋势是经过硬件和OS相配合，尤为是在64位微处理器上。

一、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，逻辑内存也分为一样大小的块，称为页。一样，备份存储也有一样大小的块。大小由硬件决定，一般为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生成的每一个地址分为2部分：页号（p）和页偏移（d）。p做为页表的索引，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。由于进程所要求的内存不必定是页的整数倍。页究竟取多大的值，这是个问题。

分页的一个特色是用户视角的内存和实际的物理内存分离。从用户角度看，用户程序将内存做为一整块来处理，而且整个内存只有它本身存在。但事实上，上面有各类各样的进程，而且物理地址分布多是不连续的。

这种差别，经过硬件进行映射转换。而这一切，对用户来讲是透明的，但受操做系统控制。用户程序不能越界访问，没法访问其页表规定以外的内存。

因为操做系统管理物理内存，它必须清楚物理内存的分配细节，知道帧的使用状况，可用数，总数，等等。这些信息一般保存在帧表的数据结构中。

二、硬件支持

操纵系统如何维护页表？

绝大多数是为每一个进程分配一个页表，页表指针与其余寄存器一块儿存入进程控制块中。

页表能够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状况。

若是页表很是大，如1百万个条目，就须要存放在内存，用页表基寄存器指向页表。改变基寄存器就能够切换页表，快得很。

不过由此而来的问题是，采用这种方案，访问一个字节如今须要2次内存访问，相对于原来速度减半。这种延迟是没法忍受的。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当中，先在TLB中查找，若是找到，那么物理地址唾手可得；若是TLB中没有，那么使用置换算法，将相关条目置换进TLB，而后再获得物理地址。

三、保护

分页环境下，内存保护经过每一个帧的关联保护位来实现。一般，这些位于页表中。

这个位，定义一个页是可读写仍是只读。

还能够定义一个有效-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，不然属非法地址。一个进程不多会使用其全部的地址空间，而只使用一小部分。

四、共享页

分页的另外一个好处是能够共享公共代码。

5、页表结构

一、层次页表

对于一个进程，一个页表已经能够对应很多的条目，好比说，100万条，那就是100万个内存地址。若是还不够，那么页表能够再分层级，将页表再分页。原先的逻辑地址是 

页码 + 页偏移

，如今页表分层后，变为 页码 + 页偏移 + 页偏移

二、哈希页表

处理超过32位地址空间的经常使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，每一个元素有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。其中虚拟页码做为哈希值。（所谓虚拟页码，应该就是页码、页号）

算法主要是凭页码获得哈希值，在哈希表中得到对应条目，找到物理帧号。

三、反向页表

为避免页表条目是否必须，都罗列在页表中，从而形成页表臃肿庞大的毛病，也能够采用反向页表。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，对每一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。

6、分段

分页的问题是用户视角的内存和实际物理内存分离，逻辑内存须要映射到物理内存。

但对于咱们程序员来讲，内存是一个集合，里面有各类变量、对象，经过名字、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，其最大的不一样是不固定大小。其他根据段号 + 偏移来得到物理地址，与分页彷佛并没有大的不一样。

进程的地址空间被划分为若干个段，每一个段定义了一组逻辑信息。例程序段、数据段等。每一个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间。所以，分段方案中，逻辑地址是二维的。

7、分页与分段的主要区别


分页和分段有许多类似之处,好比二者都不要求做业连续存放.但在概念上二者彻底不一样,主要表如今如下几个方面:


(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,或者说分页是因为系统管理的须要.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,知足用户的须要.


(2)页的大小固定,由系统肯定,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,一般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)分页的做业地址空间是一维的.分段的地址空间是二维的.

打个比方，好比说你去听课，带了一个纸质笔记本作笔记。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，为了便于之后复习方便，你能够有两种选择。

第一种是，你从本子的第一张纸开始用，而且事先在本子上作划分：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，最后在第一张纸作个列表，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，你从第二张纸开始作笔记，各类课的笔记是连在一块儿的：第2张纸是数学，第3张是语文，第4张英语……最后呢，你在第一张纸作了一个目录，记录着语文笔记在第三、七、1四、15张纸……，数学笔记在第二、六、八、九、11……，英语笔记在第四、五、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，而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升内存的利用率，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，就造成了段页式存储管理方式。

在段页式存储管理系统中，做业的地址空间首先被分红若干个逻辑分段，每段都有本身的段号，而后再将每段分红若干个大小相等的页。对于主存空间也分红大小相等的页，主存的分配以页为单位。

参考文章：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4692ea0a0101j4ss.html