操作系统-内存管理

本文最后更新于：1 年前

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分段管理

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进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分（代码段，数据段……）为若干个段，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程），每段从 0 开始编址。
内存分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻。

由于是按逻辑功能模块划分，用户编程更方便，程序可读性更高。

逻辑地址：段号：段内地址

段表：段号=段基地址=段长。
缺点：

  • 内存碎片。
  • 内存交换效率低。

分页管理

分页式

  • 固定分区会产生碎片。把内存划分为很多块，作为进程内存分配的最小单位。

  • 页面大小要权衡，应该是 2 的幂次。太大会产生页内碎片，太小，页表会占用大量内存，降低换入换出效率。
    分页管理的地址结构：页号：页内偏移量

    为 32 位，0-11 为页内偏移，12-31 为页号。

    每页大小 2^12=4kb。

  • 为了方便每个进程在内存中找到每个页面对应的物理块，会为每个进程创建一张页表（存储在内存中===访问一次数据需要访问两次内存）。
    页表由页表项组成第一部分是，页号，第二部分是物理块号。

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分页管理问题

  • 每次访问内存都需要进行地址的转换。速度受限制。
  • 页表不能太大，否则内存利用率会降低。

改进

  • 具有并行查找能力的高速缓冲存储器==快表（联想存储器 TLB）–把最常访问的⼏个⻚表项存储到访问速度更快的硬件。

  • 这时先查快表，没有再查慢表。（局部性原理）

多级页表

  • 虚拟内存地址空间 4Gb，页表大小是 4kb，需要 100 万个页，假设每个页表项大小为 4b。那么需要 4Mb 来存储页表。

  • 每个进程都有自己的页表，假设有 200 个进程，就需要 800Mb 来存储页表，很大了。

  • 建立上一级页表存储页表间的映射关系。

  • 顶级页表一般只有一个页面。

建立多级页表：建立索引，不用去存储无用页表项，也不用去盲目的查找页表项。

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段页式管理

  • 分段利于反应程序的逻辑结构以及段的共享。
  • 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，接着再把每个段划分为多个⻚，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定⼤⼩的⻚；
  • 地址结构就由段号、段内⻚号和⻚内位移三部分组成。
  • ⽤于段⻚式地址变换的数据结构是每⼀个程序⼀张段表，每个段⼜建⽴⼀张⻚表，段表中的地址是⻚表的起始地址，⽽⻚表中的地址则为某⻚的物理⻚号。

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  • 第⼀次访问段表，得到⻚表起始地址；
  • 第⼆次访问⻚表，得到物理⻚号；
  • 第三次将物理⻚号与⻚内位移组合，得到物理地址。

虚拟内存

基于局部性原理：程序装入时，先装入一部分，其他的驻留在外存，当访问的信息不在内存时，再换入。
这好像给用户提供了一个比实际内存大的内存空间。

使用外存的空间来扩展内存的空间。
实现：
分页
分段
段页式
需要：
内外存
页表机制
中断机构（缺页中断）
地址变换（先检索快表）

总结

为了在多进程环境下，使得进程之间的内存地址不受影响，相互隔离，于是操作系统就为每个进程独⽴分
配⼀套虚拟地址空间，每个程序只关⼼⾃⼰的虚拟地址就可以，实际上⼤家的虚拟地址都是⼀样的，但分
布到物理地址内存是不⼀样的。作为程序，也不⽤关⼼物理地址的事情。

每个进程都有⾃⼰的虚拟空间，⽽物理内存只有⼀个，所以当启⽤了⼤量的进程，物理内存必然会很紧
张，于是操作系统会通过内存交换技术，把不常使⽤的内存暂时存放到硬盘（换出），在需要的时候再装
载回物理内存（换⼊）。

那既然有了虚拟地址空间，那必然要把虚拟地址「映射」到物理地址，这个事情通常由操作系统来维护。
那么对于虚拟地址与物理地址的映射关系，可以有分段和分⻚的⽅式，同时两者结合都是可以的。

内存分段是根据程序的逻辑⻆度，分成了栈段、堆段、数据段、代码段等，这样可以分离出不同属性的
段，同时是⼀块连续的空间。但是每个段的⼤⼩都不是统⼀的，这就会导致内存碎⽚和内存交换效率低的
问题。

于是，就出现了内存分⻚，把虚拟空间和物理空间分成⼤⼩固定的⻚，如在 Linux 系统中，每⼀⻚的⼤⼩
为 4KB 。由于分了⻚后，就不会产⽣细⼩的内存碎⽚。同时在内存交换的时候，写⼊硬盘也就⼀个⻚或
⼏个⻚，这就⼤⼤提⾼了内存交换的效率。

再来，为了解决简单分⻚产⽣的⻚表过⼤的问题，就有了多级⻚表，它解决了空间上的问题，但这就会导
致 CPU 在寻址的过程中，需要有很多层表参与，加⼤了时间上的开销。于是根据程序的局部性原理，在
CPU 芯⽚中加⼊了 TLB，负责缓存最近常被访问的⻚表项，⼤⼤提⾼了地址的转换速度。

Linux 系统主要采⽤了分⻚管理，但是由于 Intel 处理器的发展史，Linux 系统⽆法避免分段管理。于是
Linux 就把所有段的基地址设为 0 ，也就意味着所有程序的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），相
当于屏蔽了 CPU 逻辑地址的概念，所以段只被⽤于访问控制和内存保护。

另外，Linxu 系统中虚拟空间分布可分为⽤户态和内核态两部分，其中⽤户态的分布：代码段、全局变量、
BSS、函数栈、堆内存、映射区