文章目录
- 一、逻辑地址空间与物理地址空间
- 1、基本概念
- 2、两种地址的转换
- 3、为什么会有这两种地址？
- 二、虚拟内存
- 1、虚拟内存原理
- 2、虚拟内存的优缺点
- 三、内存覆盖与内存交换
- 1、内存覆盖
- 2、内存交换
- 四、内部碎片与外部碎片
- 1、内部碎片
- 2、外部碎片
- 五、内存连续分配管理方式
- 1、单一连续分配
- 2、固定分区分配
- 3、动态分区分配
- 4、动态分区的分配策略
内存是操作系统要管理的另外一个重要资源。内存管理的功能有：
- 内存空间的分配与回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。
- 地址转换：在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。
- 内存空间的扩充：利用虚拟内存技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
- 地址保护：即一个程序不能访问另一个程序的地址空间。
一、逻辑地址空间与物理地址空间
1、基本概念
逻辑地址：CPU所生成的地址。逻辑地址是内部和编程使用的、并不唯一。例如，你在进行C语言指针编程中，可以读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它是相对于你当前进程数据段的地址（偏移地址），不和绝对物理地址相干。
物理地址：加载到内存地址寄存器中的地址，内存单元的真正地址。在前端总线上传输的内存地址都是物理内存地址，编号从0开始一直到可用物理内存的最高端。这些数字被北桥(Nortbridge chip)映射到实际的内存条上。物理地址是明确的、最终用在总线上的编号，不必转换，不必分页，也没有特权级检查(no translation, no paging, no privilege checks)。
内存保护：当CPU调度程序选择进程执行时，派遣程序会初始化重定位寄存器和界地址寄存器。每一个逻辑地址都需要与这两个寄存器进行核对，以保证操作系统和其他用户程序及数据不被该进程的运行所影响。
进程在运行时执行指令和访问数据最后都要通过物理地址从主存中存取。当装入程序将可执行代码装入内存时，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址。
2、两种地址的转换
我们知道，逻辑地址=段地址：偏移地址；
段地址×16+偏移地址=物理地址（可以理解为段地址末尾补一个零，或者说向前移了1位）。
3、为什么会有这两种地址？
逻辑地址分配更加灵活，可以允许不唯一，看起来也较为直观，例如，一段代码中分配数组，逻辑地址上是连续的，然而在物理地址上，这个数组所占用的页可能分散开来，物理地址上就是不连续的，这样对程序的可理解性上有影响。另外，有了逻辑地址这个概念，才能使用虚拟内存技术。
二、虚拟内存
虚拟内存的中心思想是将物理主存扩大到便宜、大容量的磁盘上，即将磁盘空间看做主存空间的一部分。可以理解为是将书桌上的比较老的文件先暂时收到抽屉里，用空出来的地方来摊开新的文件。
在计算机中，体现在在内存容量不足时将不经常访问的内存空间中的数据写入硬盘，以增加“账面上”可用内存容量的手段。
1、虚拟内存原理
为了更好的管理内存，操作系统将内存抽象成地址空间。每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。
当程序引用到不在物理内存中的页时（缺页中断），由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
从上面的描述中可以看出，虚拟内存允许程序不用将地址空间中的每一页都映射到物理内存，也就是说一个程序不需要全部调入内存就可以运行，这使得有限的内存运行大程序成为可能。例如有一台计算机可以产生 16 位地址，那么一个程序的地址空间范围是 0~64K。该计算机只有 32KB 的物理内存，虚拟内存技术允许该计算机运行一个 64K 大小的程序。
2、虚拟内存的优缺点
【优点】：
- 多次性，是指无需在作业运行时一次性地全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存运行。
- 对换性，是指无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业的运行过程中，进行换进和换出。
- 虚拟性，是指从逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内存容量，远大于实际的内存容量。
【缺点】：
虚拟内存也有同样的缺点：硬盘的容量比内存大，但也只是相对的，速度却非常缓慢，【如果和硬盘之间的数据交换过于频繁，处理速度就会下降，表面上看起来就像卡住了一样，这种现象称为内存抖动（Thrushing）】。相信很多人都有过计算机停止响应的经历，而造成死机的主要原因之一就是内存抖动。
虚拟内存的实现有以下两种方式：
- 请求分页存储管理。
- 请求分段存储管理。
三、内存覆盖与内存交换
覆盖与交换技术是在多道程序环境下用来扩充内存的两种方法。
1、内存覆盖
覆盖的基本思想是：由于程序运行时并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分（尤其是大程序），因此可以把用户空间分成一个固定区和若干个覆盖区。将经常活跃的部分放在固定区，其余部分按调用关系分段。首先将那些即将要访问的段放入覆盖区，其他段放在外存中，在需要调用前，系统再将其调入覆盖区，替换覆盖区中原有的段。
2、内存交换
交换（对换）的基本思想是：把处于等待状态（或在CPU调度原则下被剥夺运行权利）的程序从内存移到辅存，把内存空间腾出来，这一过程又叫换出；把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存，这一过程又称为换入。中级调度就是釆用交换技术。
交换技术主要是在不同进程（或作业）之间进行，而覆盖则用于同一个程序或进程中。由于覆盖技术要求给出程序段之间的覆盖结构，使得其对用户和程序员不透明，所以对于主存无法存放用户程序的矛盾，现代操作系统是通过虚拟内存技术来解决的，覆盖技术则已成为历史；而交换技术在现代操作系统中仍具有较强的生命力。
四、内部碎片与外部碎片
1、内部碎片
内部碎片是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）的内存空间大于请求所需的内存空间，不能被利用的内存空间就是内部碎片。
内部碎片产生的原因：因为所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除（视处理器体系结构而定）的地址或者因为MMU的分页机制的限制，决定内存分配算法仅能把预定大小的内存块分配给客户。假设当某个客户请求一个43字节的内存块时，因为没有适合大小的内存，所以它可能会获得 44字节、48字节等稍大一点的字节，因此由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
为了有效的利用内存，使内存产生更少的碎片，要对内存分页，内存以页为单位来使用，最后一页往往装不满，于是形成了内部碎片。
2、外部碎片
外部碎片是指还没有分配出去（不属于任何进程），但是由于大小而无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲块。
外部碎片的产生：频繁的分配与回收物理页面会导致大量的、连续且小的页面块夹杂在已分配的页面中间，就会产生外部碎片。假设有一块一共有100个单位的连续空闲内存空间，范围是0-99。如果你从中申请一块内存，如10个单位，那么申请出来的内存块就为0-9区间。这时候你继续申请一块内存，比如说5个单位大，第二块得到的内存块就应该为10-14区间。如果你把第一块内存块释放，然后再申请一块大于10个单位的内存块，比如说20个单位。因为刚被释放的内存块不能满足新的请求，所以只能从15开始分配出20个单位的内存块。现在整个内存空间的状态是0-9空闲，10-14被占用，15-34被占用，25-99空闲。其中0-9就是一个内存碎片了。如果10-14一直被占用，而以后申请的空间都大于10个单位，那么0-9就永远用不上了，变成外部碎片。
五、内存连续分配管理方式
1、单一连续分配
内存在此方式下分为系统区和用户区，系统区仅提供给操作系统使用，通常在低地址部分；用户区是为用户提供的、除系统区之外的内存空间。这种方式无需进行内存保护。
这种方式的优点是简单、无外部碎片，可以釆用覆盖技术，不需要额外的技术支持。缺点是只能用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片，存储器的利用率极低。
2、固定分区分配
固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时，便可以再从外存的后备作业队列中,选择适当大小的作业装入该分区，如此循环。
为便于内存分配，通常将分区按大小排队，并为之建立一张分区说明表，其中各表项包括每个分区的起始地址、大小及状态（是否已分配），如图(a)所示。当有用户程序要装入时，便检索该表，以找到合适的分区给予分配并将其状态置为”已分配”；未找到合适分区则拒绝为该用户程序分配内存。存储空间的分配情况如图(b)所示。
这种分区方式存在两个问题：
- 一是程序可能太大而放不进任何一个分区中，这时用户不得不使用覆盖技术来使用内存空间；
- 二是主存利用率低，当程序小于固定分区大小时，也占用了一个完整的内存分区空间，这样分区内部有空间浪费，这种现象即内部碎片。但是不会产生外部碎片。
3、动态分区分配
动态分区分配又称为可变分区分配，是一种动态划分内存的分区方法。这种分区方法不预先将内存划分，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统中分区的大小和数目是可变的。
如图所示，系统有64MB内存空间，其中低8MB固定分配给操作系统，其余为用户可用内存。开始时装入前三个进程，在它们分别分配到所需空间后，内存只剩下4MB，进程4无法装入。在某个时刻，内存中没有一个就绪进程，CPU出现空闲，操作系统就换出进程2，换入进程4。由于进程4比进程2小，这样在主存中就产生了一个6MB的内存块。之后CPU又出现空闲，而主存无法容纳进程2,操作系统就换出进程1，换入进程2。
动态分区在开始分配时是很好的，但是之后会导致内存中出现许多小的内存块。随着时间的推移，内存中会产生越来越多的碎片（图中最后的4MB和中间的6MB，且随着进程的换入/换出，很可能会出现更多更小的内存块)，内存的利用率随之下降。这些小的内存块即外部碎片。
4、动态分区的分配策略
在进程装入或换入主存时，如果内存中有多个足够大的空闲块，操作系统必须确定分配哪个内存块给进程使用，这就是动态分区的分配策略，考虑以下几种算法：
- 首次适应(First Fit)算法：空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时顺序查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
- 最佳适应(Best Fit)算法：空闲分区按容量递增形成分区链，找到第一个能满足要求的空闲分区。
- 最坏适应(Worst Fit)算法：又称最大适应(Largest Fit)算法，空闲分区以容量递减的次
序链接。找到第一个能满足要求的空闲分区，也就是挑选出最大的分区。 - 邻近适应(Next Fit)算法：又称循环首次适应算法，由首次适应算法演变而成。不同之处是分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。
