三、内存管理

3.1 内存管理基础

3.1.1存储器的多层结构

在计算机中，以CPU的调度距离为准，从近及远对不同的存储器划分出多个层级。

进程挂起就是放在硬盘缓存里。
高级缓存是一个独立硬件，存在于CPU里面。效率比寄存器慢比内存快。

3.1.2 进程运行基本原理

进程的装入

程序保存在磁盘中，经过编译、链接后生成一个 装入模块（编译后的代码和数据），然后经由 装入程序 把这个 装入模块 加载进内存的过程称为 装入。装入后就是一个进程。

装入分为三种：

• 绝对装入：给装入模块分配的是绝对物理地址，不能变动，适合单道程序环境。
• 可冲定位装入：给装入模块分配初始逻辑地址（通常是从0开始的），装入过程如果发现逻辑地址中指向的物理地址被占用，则把物理地址往后顺延，然后修改逻辑地址指向，再装入。（逻辑地址指向的物理地址重定向了）
• 动态运行时装入：程序的装入不再是一次性装入，先装入核心程序(静态上下文)，在程序运行过程中需要分配新资源(动态)时再链接装入内存，此时装入的装入模块和程序上一次装入的模块并不是挨在一起的，是分散的。

1. 以上三种装入方式都是随着计算机发展，程序越来越大、越来越复杂而一步步进化的。
2. 链接是一个过程，因为程序中一般都调/使用了各种各样的库(函数库、类库等)，链接程序把库和编译后的程序(也叫目标模块)封装成一个装入模块的过程就是链接。
3. 程序所有数据一开始默认分配的物理地址都是0。
4. 内存保护就是进程地址保护，保护进程起始地址和结束地址之间的内存空间不受侵扰。

3.1.3 内存扩充

当内存加载一个新的进程，但是空间不足的时候，操作系统会通过内存扩充技术解决这个问题。

内存扩充有两种方式：

• 覆盖：从内存中划分出一块空间(覆盖区)，覆盖区内的进程和数据可以被覆盖，可以动态变化的。
• 交换：从硬盘上划分一块空间(硬盘缓存)，把较不活跃的进程交换到外存中，再把新的进程加载进内存。

3.1.4 内存的分配

内存分成系统区和用户区两大部分，用户进程就放在用户区中。

3.1.4.1连续分配

1. 单一连续分配（单一进程）
   
   • 优点
     • 实现简单
     • 无外部碎片（没有分配给此进程以外的进程或数据的内存空间）
     • 不一定需要内存保护（隔离保护系统区和用户区）
   • 缺点
     • 只能用于单用户、单任务OS
     • 有内部碎片（分配的整个内存空间没有利用完）
     • 存储器利用率低（只有一个进程在用）
2. 固定分区分配
   
   • 优点
     • 实现简单
     • 无外部碎片
   • 缺点
     • 较大用户程序时，需要采用覆盖技术，降低了性能
     • 会产生内部碎片，利用率低
3. 动态分区分配
   
   • 记录内存使用情况：
     • 空闲分区表：
       
     • 空间分区链
       
   • 分区选择算法
     • 首次适应算法：从低地址查找合适空间
     • 最佳适应算法：优先使用最小空闲空间
     • 最坏适应算法：优先使用最大连续空间
     • 临近适应算法：从上次查找处向后查找
       

3.1.4.2非连续分配

3.1.4.2.1基本分页存储管理

通过页表映射程序的逻辑地址与内存的物理地址，页表保存在进程控制块中。

基本地址变换机构（硬件）：

• 页式管理中地址空间是一维的
• 每次访问内存都需要地址转换，因此必须足够快
• 页表不能太大，会降低内存利用率

具有快表的地址变换机构：

• 直接将页号与快表页号比较
• 匹配成功，取块号+偏移量形成地址
• 匹配失败，访问主存页表，并同步到快表(局部性原理)

1. CPU在对某个变量进行 +1 操作，实际上会访问内存两次。第一次是访问页表获取块号，然后计算出物理地址后，再去访问内存中变量的内存地址。这就引发一个效率问题，因此通常会把本次查询的页表的那个条目加载进cpu的缓存中，提升（下次）查询的效率。
2. 内存中的页表称为慢表，高速缓存中的页表(条目)称为快表。
3. 快表是慢表数据的一部分（高速缓存空间很珍贵）
4. 比一个32位的机器上(一次能处理的最大位数为32)，内存块(页框)大小为4k(2¹²)，也就是内存块占据了12位，前面20位分配给了页号，所以页号最大约为2²⁰（约1,000,000），也就是这个页表的最大条目数约为1,000,000条。

两级页表：
页表是一个数组，占用大量连续空间，而且在访问的过程中一段时间内只访问页表的一小部分，所以引申出二级页表的概念，把大页表再拆分。

• 将逻辑地址拆分成三部分（原本是两部分）
• 从PCB(进程控制块)中读取页目录表始址
• 根据一级页号查出二级页表位置
• 根据二级页号查内存块号，加偏移量计算物理地址

3.1.4.2.2基本分段存储管理

分页存储是把物理内存按照一定大小进行划分，分段存储是把用户进程进行划分，把你个进程划分成主程序、子程序。因此进程的每个分段的大小不一。
在32位计算机中，16位(64k)分配给段号，16位分配给段内地址。

1. 分页与分段对比：
   • 分页划分物理内存，分段划分用户进程。
   • 页->物理单位
   • 段->逻辑单位
   • 分页->一维地址空间
   • 分段->二维地址空间
   • 分段更容易信息共享和保护
2. 因为段表一般很小(一个进程分不了几个段)，通常放在段表寄存器中。
3. 每个进程的分段编号都从0开始

3.1.4.2.3 段页式管理

单独把分页和分段拎出来都有其突出的缺点

因此后来的发展方向是把二者结合取其精华去其糟粕。

页表地址就是页表存放块号。

段页表查询流程：

管理方式：
▶ 先分段，再分页
▶ 个进程->1个段表
▶ 1个段表项->1个页表
▶ 1个页表->多个物理块

3.2 虚拟内存管理

3.2.1 虚拟内存的概念

内存 + 外存 = 虚拟内存，是一个逻辑概念。

• 特征
  • 多次性：进程在虚拟内存中是多次加载而不是一次性加载完成的。
  • 对换性：进程在内外存之间存在迁移、换入换出的特性。
  • 虚拟性：虚拟内存是对内存容量扩充的一个逻辑概念。

3.2.2 虚拟内存的实现

3.2.2.1 请求分页管理

进程在运行中因为缺页等原因动态从外存或磁盘中请求加载(掉入)文件和数据。

页表：

🔸状态位P：表示页指向的数据(块)是否已经调入内存（0否1是）
🔸访问字段A：记录一段时间内块被访问的次数
🔸修改位M：表示块内数据是否被修改过（0否1是）
🔸外存地址：资源在外存中的地址

缺页中断：
通过中断加载相关页到内存，属于内中断。

页面置换：
通过中断把闲置页置换到外存中，属于内中断。

调页过程的寻址过程：

① 请求调页，判断是否在内存
② 如果内存空间不足，可能需要页面置换
③ 新增/修改页表项(页表有记录则修改，没记录则新增)
④ 把新加载的表项作为热点表项同步到快表

3.2.2.2 页面置换算法

3.2.2.3 页面分配策略

• 固定分配局部置换：为每个进程分配一组固定数量的物理块，进程运行时不再改变。若发生缺页，从分配的N个页面中选出一页换出，调入下一页。
• 可变分配全局置换：进程运行时，根据情况增加或减少物理块。发生缺页时，从空闲物理块取出一块分配给该进程，仅当所有物理块都用完时，OS才从内存中选择一页调出。
• 可变分配局部置换：分配固定内存，由进程本身置换，当操作系统发现置换频率大时，再分配额外的内存给进程；

驻留集：驻留在内存中的页数

• 进程在主存中的页数越小，错页率越高，反之越低
• 进程在主存中的页数越小，可容纳的进程数越小，反之越高

资料来源：

1. 哔哩哔哩 马士兵教育 马士兵-小森 清华大牛耗时1000分钟把计算机底层知识 | 计算机组成原理 | 操作系统 | 数…
   https://www.bilibili.com/video/BV1qe4y1T7t3?p=81&spm_id_from=pageDriver&vd_source=c2e346bb74807b3fde142d31e57292ce