操做系統學習筆記：內存管理

內存是現代計算機運行的中心（竟然不是CPU!）。內存有很大的一組字或字節組成，每一個字或字節都有地址。

CPU根據程序計數器從內存中提取指令。CPU所能直接訪問的存儲器只有處理器內的寄存器和內存。一般，程序存儲在磁盤上，執行的時候，程序被調入內存。那麼CPU怎麼找到它們呢？

一般，將指令與數據綁定到內存地址有如下幾種狀況：

1）編譯時，進程在內存中的駐留地址就已經肯定，生成的是絕對代碼

2）加載時，編譯器生成的是重定位代碼，綁定延遲到加載時才進行

3）執行時，絕大多數操做系統採用

1、背景

一、邏輯地址與物理地址

CPU所生成的地址稱爲邏輯地址，而內存單元對應的地址（即加載到內存地址寄存器的地址）稱爲物理地址。從邏輯地址到物理地址的映射由硬件設備（內存管理單元，MMU）完成。用戶只生成邏輯地址，這些地址在使用前必須映射到物理地址。用戶程序決不會看到真正的物理地址。

二、動態加載及DLL

若是一個進程的整個程序和數據必須處於物理內存中，那麼進程的大小會受物理內存大小所限制。可使用動態加載，子程序只在調用時才被加載。動態加載無須操做系統特別支持，這是程序員的工做。

除此而外，可使用DLL。DLL與動態加載不一樣，一般須要操做系統的幫助，由於DLL能夠被多個進程共用，只有操做系統能夠檢查其餘進程的內存空間。

DLL有版本的區別，不一樣版本的庫均可以裝入內存。

2、交換

進程須要在內存中以便執行，但進程能夠暫時從內存中換出（swap）到備份存儲上，當須要再次執行時再回到內存中。

交換有一些策略，好比基於優先級。

3、連續內存分配

內存一般分爲兩個區域：駐留操做系統 + 用戶進程。

一般須要將多個進程同時放在內存中，所以須要考慮如何爲輸入隊列中的進程分配內存空間。採用連續內存分配時，每一個進程位於一個連續的內存區域。

最簡單的內存分配方法之一就是將內存分爲多個固定大小的分區，每一個分區只能容納一個進程。這種方法如今已再也不使用。

有一種固定分區的升級版是可變分區，操做系統有一個表記錄內存的使用狀況。一開始，全部內存均可用於用戶進程，做爲一大塊可用內存，稱爲「孔」。當有新進程須要內存時，就爲它尋找一塊足夠大的孔。若是找到，從該孔中進行分配，孔剩餘部分能夠下次使用。

尋找孔的算法有

1）首次適應。找到第一塊足夠大的孔就中止。

2）最佳適應，全表掃描，找到最小且合適的一塊。

3）最差適應，全表掃描，找到最大且合適的一塊。

三種算法中，最差適應最差，首次適應比最佳適應快一點點。可是，後兩者產生的外部碎片問題（分區方法產生外部碎片，分頁產生內部碎片）也比最差適應要嚴重。解決之道是緊縮（靠，SQL SERVER也有碎片問題，也是靠索引重建或收縮來解決）。所謂的緊縮就是移動內存內容，以便將空閒空間合併成一塊。但並不是全部狀況都適用緊縮。若是內存物理地址重定位是靜態的，在彙編或裝入時進行，沒問題，但若是是在運行時才進行就開銷太大。

另外一種解決方案是容許物理地址爲非連續。這種方案就是如下的：分頁和分段。

4、分頁

分頁容許進程的物理地址空間非連續。

分頁避免了將不一樣大小的內存塊匹配到交換空間上這樣的麻煩。由於備份存儲也有與內存相關的碎片問題，而且訪問速度更慢，所以不適宜合併。而分頁是將物理內存劃分爲固定大小的塊，能夠避免外部碎片。分頁因爲其優越性爲絕大多數操做系統所採用。

分頁由硬件支持。不過，最新的趨勢是經過硬件和OS相配合，尤爲是在64位微處理器上。

一、基本方法

分頁方案中，物理內存劃分爲固定大小的的塊，稱爲幀（frame）；與之對應，邏輯內存也分爲一樣大小的塊，稱爲頁。一樣，備份存儲也有一樣大小的塊。大小由硬件決定，一般爲2的冪，以方便將邏輯地址轉換爲頁號和頁偏移。

p：頁號

d：頁偏移量

f：幀號

由CPU生成的每一個地址分爲2部分：頁號（p）和頁偏移（d）。p做爲頁表的索引，頁表包含每頁所在物理內存的基地址，基地址 + 頁偏移 = 物理地址。如圖

採用分頁技術不會產生外部碎片，但可能又內部碎片。由於進程所要求的內存不必定是頁的整數倍。頁究竟取多大的值，這是個問題。

分頁的一個特色是用戶視角的內存和實際的物理內存分離。從用戶角度看，用戶程序將內存做爲一整塊來處理，而且整個內存只有它本身存在。但事實上，上面有各類各樣的進程，而且物理地址分佈多是不連續的。

這種差別，經過硬件進行映射轉換。而這一切，對用戶來講是透明的，但受操做系統控制。用戶程序不能越界訪問，沒法訪問其頁表規定以外的內存。

因爲操做系統管理物理內存，它必須清楚物理內存的分配細節，知道幀的使用狀況，可用數，總數，等等。這些信息一般保存在幀表的數據結構中。

二、硬件支持

操縱系統如何維護頁表？

絕大多數是爲每一個進程分配一個頁表，頁表指針與其餘寄存器一塊兒存入進程控制塊中。

頁表能夠用一組專用的寄存器來保存，這是效率最高的方法。但只適用於頁表不大的狀況。

若是頁表很是大，如1百萬個條目，就須要存放在內存，用頁表基寄存器指向頁表。改變基寄存器就能夠切換頁表，快得很。

不過由此而來的問題是，採用這種方案，訪問一個字節如今須要2次內存訪問，相對於原來速度減半。這種延遲是沒法忍受的。對這個問題的解決方案是採用硬件緩衝：轉換表緩衝區，TLB。TLB只維護頁表中的一小部分條目，邏輯地址轉換物理地址過程當中，先在TLB中查找，若是找到，那麼物理地址唾手可得；若是TLB中沒有，那麼使用置換算法，將相關條目置換進TLB，而後再獲得物理地址。

三、保護

分頁環境下，內存保護經過每一個幀的關聯保護位來實現。一般，這些位於頁表中。

這個位，定義一個頁是可讀寫仍是隻讀。

還能夠定義一個有效-無效位。當該位爲有效時，表示該頁在進程的邏輯地址空間內，是合法的頁，不然屬非法地址。一個進程不多會使用其全部的地址空間，而只使用一小部分。

四、共享頁

分頁的另外一個好處是能夠共享公共代碼。

5、頁表結構

一、層次頁表

對於一個進程，一個頁表已經能夠對應很多的條目，好比說，100萬條，那就是100萬個內存地址。若是還不夠，那麼頁表能夠再分層級，將頁表再分頁。原先的邏輯地址是 

頁碼 + 頁偏移

，如今頁表分層後，變爲 頁碼 + 頁偏移 + 頁偏移

二、哈希頁表

處理超過32位地址空間的經常使用方法是使用哈希頁表。

哈希頁表的條目包括一個鏈表的元素，每一個元素有3個域：1）虛擬頁碼 2）物理幀號 3）指向鏈表中下一個元素的指針。其中虛擬頁碼做爲哈希值。（所謂虛擬頁碼，應該就是頁碼、頁號）

算法主要是憑頁碼獲得哈希值，在哈希表中得到對應條目，找到物理幀號。

三、反向頁表

爲避免頁表條目是否必須，都羅列在頁表中，從而形成頁表臃腫龐大的毛病，也能夠採用反向頁表。真正使用的幀纔在反向頁表中有一個條目。整個系統只有一張頁表，對每一個物理內存幀只有一個條目，條目包含對應邏輯內存頁的地址，及進程號等。主要的問題是內存共享有點麻煩。

6、分段

分頁的問題是用戶視角的內存和實際物理內存分離，邏輯內存須要映射到物理內存。

但對於咱們程序員來講，內存是一個集合，裏面有各類變量、對象，經過名字、指針來調用，而不關心它們到底位於什麼位置。

分段（segmentation)就是一種支持這種用戶視角的內存管理方案。邏輯地址空間由一組段組成。與分頁比較，其最大的不一樣是不固定大小。其他根據段號 + 偏移來得到物理地址，與分頁彷佛並沒有大的不一樣。

進程的地址空間被劃分爲若干個段，每一個段定義了一組邏輯信息。例程序段、數據段等。每一個段都從0開始編址，並採用一段連續的地址空間。所以，分段方案中，邏輯地址是二維的。

7、分頁與分段的主要區別


分頁和分段有許多類似之處,好比二者都不要求做業連續存放.但在概念上二者徹底不一樣,主要表如今如下幾個方面:


(1)頁是信息的物理單位,分頁是爲了實現非連續分配,以便解決內存碎片問題,或者說分頁是因爲系統管理的須要.段是信息的邏輯單位,它含有一組意義相對完整的信息,分段的目的是爲了更好地實現共享,知足用戶的須要.


(2)頁的大小固定,由系統肯定,將邏輯地址劃分爲頁號和頁內地址是由機器硬件實現的.而段的長度卻不固定,決定於用戶所編寫的程序,一般由編譯程序在對源程序進行編譯時根據信息的性質來劃分.


(3)分頁的做業地址空間是一維的.分段的地址空間是二維的.

打個比方，好比說你去聽課，帶了一個紙質筆記本作筆記。筆記本有100張紙，課程有語文、數學、英語三門，對於這個筆記本的使用，爲了便於之後複習方便，你能夠有兩種選擇。

第一種是，你從本子的第一張紙開始用，而且事先在本子上作劃分：第2張到第30張紙記語文筆記，第31到60張紙記數學筆記，第61到100張紙記英語筆記，最後在第一張紙作個列表，記錄着三門筆記各自的範圍。這就是分段管理，第一張紙叫段表。

第二種是，你從第二張紙開始作筆記，各類課的筆記是連在一塊兒的：第2張紙是數學，第3張是語文，第4張英語……最後呢，你在第一張紙作了一個目錄，記錄着語文筆記在第三、七、1四、15張紙……，數學筆記在第二、六、八、九、11……，英語筆記在第四、五、12……。這就是分頁管理，第一張紙叫頁表。你要複習哪一門課，就到頁表裏查尋相關的紙的編號，而後翻到那一頁去複習

四．段頁式存儲管理

1．基本思想：

分頁系統能有效地提升內存的利用率，而分段系統能反映程序的邏輯結構，便於段的共享與保護，將分頁與分段兩種存儲方式結合起來，就造成了段頁式存儲管理方式。

在段頁式存儲管理系統中，做業的地址空間首先被分紅若干個邏輯分段，每段都有本身的段號，而後再將每段分紅若干個大小相等的頁。對於主存空間也分紅大小相等的頁，主存的分配以頁爲單位。

參考文章：

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