內存分配與內存管理的一些理解

內存分配方式與內存分配算法

內存分配方式有兩種，連續內存分配方式和離散內存分配方式。不一樣的分配方式又有不一樣的分配算法。

內存分配算法，其實就是：有一大塊空閒的資源，如何合理地分配資源？內存分配的思想能夠用到不少其餘的領域。好比Java虛擬機是如何將內存分配與回收的？再好比文件系統是如何將磁盤塊分配與回收的？其本質就是如何把空閒的資源分配出去，分配以後又如何回收？目標就是分配快，回收也快，並且還不浪費。那麼，就須要根據資源的特色、以及應用場景作權衡從而選擇何種方式進行分配與回收。

 

①連續內存分配方式

1）固定分區分配

將內存劃分紅若干個固定大小的塊。將程序裝入塊中便可。內存劃分紅各個塊以後，塊大小再也不改變。固然，劃分塊的方式有：全部的塊大小相等；劃分的塊大小不相等。

這種方式，在實際的內存分配以前，就已經知道了全部的內存塊大小了。

 

2）動態分區分配

須要一個空閒表 或者 空閒鏈 來記錄目前系統中空間的內存區域。在內存分配時，須要查找空間表或空閒鏈找到一塊內存分配給當前進程。

 

動態分區分配算法：

a)首次適應法

b)循環首次適應法

c)最佳適應法

d)最壞適應法

e)快速適應法

 

3）可重定位分區分配

說白了，就是增長了內存移動的功能。因爲若干次內存分配與回收以後，各個空閒的內存塊不連續了。經過「重定位」，將已經分配的內存「緊湊」在一塊（就相似於JVM垃圾回收中的複製算法）從而空出一大塊空閒的內存出來。

」緊湊「是須要開銷的，好比須要從新計算 地址，這也爲何JVM垃圾回收會致使STW的緣由。

而離散分配方式--不論是分頁仍是分段，都是直接將程序放到各個離散的頁中。從而就不存在「緊湊」一說了。

 

連續內存分配方式涉及兩種操做：內存分配操做 和 內存回收操做

 

②離散內存分配方式

內存資源是有限的，程序要運行，必須得加載到內存。若是內存已經滿了，而如今又有新的程序要運行，怎麼辦？---SWAP

把當前不用的程序(數據)先換出內存，從而就有空間 加載當前須要運行的程序的一部分數據進入內存，這樣大大提升了內存的利用率。

因爲牽涉到換入與換出，前面的連續內存分配方式就有點不適用了。由於，最明顯的一個問題：對於連續內存分配方式，究竟換出哪部分數據呢？

而這種只裝入部分"數據"就可使程序運行的機制，就是虛擬存儲器的本質。

 

1）分頁存儲管理

將進程的邏輯地址空間分紅若干大小相等的頁面；同時，也將物理內存分紅相等大小的頁面(稱爲塊或frame)。在爲進程分配內存時，以塊爲單位將進程的若干頁 能夠 裝入到內存中多個不鄰接的物理塊中。

從上能夠看出：「離散」 體如今：進程在內存中分配的空間(物理塊)是不連續的。而對於連續分配方式，進程在內存的分配的空間是連續的。

如今考慮32位系統，每一個物理塊的大小爲4KB。如何把邏輯地址 轉換成 物理地址？

對每一個進程而言，都有着本身的頁表。頁表的本質就是邏輯地址到物理地址的映射。

分頁存儲中的邏輯地址的結構以下：

1）因爲進程的邏輯頁面大小與物理塊(頁幀)大小相同，故都爲4K，所以須要12個位表示4K的大小（2^12=4K），即圖中的【0-11】

2）【12-31】表示的是頁號。一共有20個位表示頁號，也即：對於一個進程而言，一共能夠有1M(2^20=1M)個頁。

3）每一個進程的邏輯地址空間範圍爲0-2^32-1，由於：每一個頁大小爲4K，一共有1M個頁。故進程可用的邏輯空間爲2^32B

 

邏輯地址到物理地址的轉換須要用到頁表。具體細節是有一個「地址變換機構」，它有一個寄存器保存頁表在內存的起始地址 以及 頁表的長度。

上面提到，一個進程最多能夠有1M個頁，故頁表就有1M個頁表項。假設每一個頁表項只有1B，那頁表的大小也有1MB，因此：通常而言，頁表也是很大的，不能全放在寄存器中，故頁表也是存儲在內存中的。（有些機器有「快表」，快表就是一個寄存器，它保存了頁表中的部分表項）；其次，也可使用多級頁表以解決單個頁表太大的問題。

那如今給定一個邏輯地址，怎麼知道其物理地址呢？

①將【12-31】位的頁號與 頁表的長度比較。頁號不能大於頁表長度，不然越界。

②根據頁號 找到 該頁號所在的頁表項，即該頁號對應着哪一個頁表項。由於，頁表項裏面就存放着物理地址。

那如何查找頁表項呢？將頁號乘以頁表項的長度（每一個頁表項，其實就是一個邏輯的頁 到 物理頁 的映射信息），就知道了該邏輯頁對應着哪一個頁表項(根據頁號匹配頁表項通常是由硬件完成的)

而後，正如前面提到，頁表也是保存在內存中的，故須要頁表的內存始址（這是也爲何地址變換機構 保存 頁表在內存的起始地址的緣由），將頁表始址 與 上面的乘積相加，就獲得了該邏輯頁對應的頁表項的物理地址。讀這個頁表項的物理地址中的內容，就知道了該邏輯頁對應的物理塊地址（物理地址）。從而，就完成了邏輯地址到物理地址的轉換。

從上面能夠看出，CPU每存取一個數據時，須要兩次訪問主存。一次是訪問頁表項的物理地址，獲得了數據的物理塊地址。第二次拿着物理塊地址去取數據。

在分頁存儲管理方式下：因爲取一個數據，須要二次訪存，CPU處理速度下降了一半，正因爲這個緣由：引入了「快表」(又稱TLB(Translation Lookaside Buffer))，快表是個寄存器，用來保存那些當前訪問過的頁表項。從而，讀頁表項時，不須要再訪存了，而是直接從寄存器中讀取。

 

虛擬存儲器

談到虛擬存儲器，老是說它從邏輯上擴充了內存的容量，why?

內存是有限的，做業初始時保存在磁盤上的，若是要運行，必須得將相應的程序(數據)加載到內存中。那若是要運行的做業特別多，沒法一會兒裝入內存，怎麼辦？

一種方式是加內存條，這是從物理上擴充內存的容量。

另外一種方式是：先把做業的一部分程序(數據)裝入內存，先讓它運行着，運行過程當中發現： 咦，我還須要其餘的數據，而這些數據還未裝入內存，所以就產生中斷(缺頁中斷)再將數據加載到內存。

採用這種方式，系統一次就能夠將不少做業裝入內存運行了。這時，從物理上看，內存仍是原來的大小，可是它能運行的做業多了，所以說從邏輯上擴充了內存。

將虛擬存儲器這種思想與分頁存儲管理結合，一次只將做業的部分頁面加載到內存中，造成了一個強大的內存分配與管理系統了。引入了虛擬存儲器，一樣須要有頁表，記錄邏輯地址到物理地址的映射，只不過此時的頁表更復雜了，由於，有些頁可能還在磁盤上。；還須要有缺頁中斷處理機構，由於畢竟只將一部分數據裝入內存，會引發缺頁中斷嘛，就須要處理中斷嘛；還須要地址變換機構，這裏的地址變換機構功能更多，由於須要處理中斷狀況下的地址變換。

 

2）分段存儲管理

與分頁比較類似，不介紹了。