操作系统闲谈05——内存管理

一、内存管理的基本方式

01 段式内存管理

将程序按照逻辑关系划分为段，每个段的大小不等，比如从下到上（代码段、数据段、bss段、栈、文件映射、堆等等），然后通过地址映射机制转换为实际的物理地址。

可以根据GDT，全局段描述符表找到段号和段基址（逻辑地址）的对应关系，然后通过段基址+段内偏移就可以得到物理地址

缺点：会产生外部碎片，进程必须全部装入内存

02 页式内存管理

将各进程的虚拟空间划分为若干长度相等的页，然后按页的大小建立页表，可以通过页表映射找到对应的内存块。

优点：没有外碎片，每个内碎片不超过页的大小。

缺点：程序全部装入内存，要求有相应的硬件支持（硬件产生缺页中断）。

解决内部碎片和外部碎片 slab和buddy系统

操作系统闲谈04——内存管理方式

03 段页式内存管理

内存以段位基本单位，，每个段又划分为若干个页。需要段表和页表共同管理内存的分配与释放。

二、内存的分配与释放

01 物理地址内存的分配与释放

主要采用链表结构

使用了一个名叫page的结构体管理物理内存，结构体中包括了页的大小、页的状态以及指向相邻页的指针。

Linux内核使用这些指针来构建了一个逻辑链表，当需要分配内存的时候，会从链表中查找第一个空闲页并把它标记为已使用。

释放内存的时候，会把相应的页标记为空闲，并把它插入到链表对应的位置

02 虚拟用户进程空间内存的分配与释放

C++语言层次

智能指针栈上的对象出作用域自动析构自动管理内存的分配与释放
new delete

C语言层次

malloc free

系统调用

sbrk brk
mmap

malloc 是如何分配内存的

内核空间

kmalloc

vmalloc

操作系统闲谈04——内存管理方式

三、虚拟地址与物理地址的转换

01 软件实现——页表

时间上改进 TLB快表

在系统每次访问虚存页时，都要在内存的所有页表中寻找该页的页框，这是一个很费时间的工作。但是，人们发现，系统一旦访问了某一个页，那么系统就会在一段时间内稳定地工作在这个页上。所以，为了提高访问页表的速度，系统还配备了一组正好能容纳一个页表的硬件寄存器，这样当系统再访问虚存时，就首先到这组硬件寄存器中去访问，系统速度就快多了。这组存放当前页表的寄存器叫做快表。

空间上改进多级页表

为了通用，Linux系统使用了三级页表结构：页目录、中间页目录和页表。PGD为顶级页表，是一个pgd_t数据类型（定义在文件linux/include/page.h中）的数组，每个数组元素指向一个中间页目录；PMD为二级页表，是一个pmd_t数据结构的数组，每个数组元素指向一个页表；PTE则是页表，是一个pte_t数据类型的数组，每个元素中含有物理地址。