本文分享自华为云社区《操作系统的内存究竟是怎么一回事？带你完整复习一遍《操作系统》一书中有关内存的所有知识点》，作者：breakDawn 。

1 内存管理的概念

• 内存管理指操作系统对内存的划分和动态分配

• 地址空间：

逻辑地址空间： 相对地址， 从 0 开始编址

物理地址空间： 地址转换的最终地址

程序运行时

编译： 把源代码编译成目标模块

链接： 把目标模块、库函数链接成 1 个装入模块

链接属于形成进程逻辑地址的过程

装入：

绝对装入： 编译时就确定了装入地址

可重定位装入： 根据内存情况， 把程序装到适当位置

运行时动态装入：运行前才真正把程序装起来（前面 2 个都是先分配，再装，再运行）

2 内存防溢出机制

即怎么防止内存越界

• 设置上下限寄存器：

存放内存中该进程的 上下限地址

每次访问时，判断是否越界

重定位+界地址：

重定位寄存器——存放物理地址的最小地址

界地址寄存器——存放逻辑地址的最大值

先把访问地址（相对地址） 与界地址比较是否越界

再加到重定位寄存器上，作为物理地址

min + x， 且 x <max， 这样保证地址在 min 到 min+max 之内

3 内存分配机制

3.1 连续分配内存

连续分配指 为用户程序分配的内存空间一定是连续的

3.1.1 单一连续：

内存分为系统区和用户区 2 个区

每次用户区只能放 1 个程序， 这样可确保不会越界

3.1.2 固定分区分配

用户区分成若干个大小的分区， 每个分区只能装一个作业。

程序如果大了会装不下

程序小了则有内存碎片

3.1.3 动态分区分配

程序装入内存时，按照所需大小动态生成 1 个分区。 有多少碎片空间就给多少

可能会存在碎片， 比如中间的进程结束了， 于是中间就空出来一个内存碎片，而可能因为太小，其他进程帆布进来。

动态分配策略：

• 首次适应： 从上往下找第一个满足的分区——最简单也最好

• 最佳适应： 找一个大小差距最小的分区——最烂，碎片最多

• 最坏适应： 直接找最大的分区转入

• 邻近适应： 从上次查找位置开始找，而不是从第一个碎片位置开始找。——末尾碎片会很多

3.2 非连续内存分配

非连续指进程内存可以 分成不同地址存放，不一定全部集中在一起。

3.2.1 分页

把内存划分成固定大小的块， 进程以块为单位申请多个不同位置的块作为空间。

• 页表：

每个进程 PCB 中会有一个页面寄存器 PRT， 告知页表的起始位置和起始长度

找到页表后， 页面中会告知你所持有的页号和偏移。

通过 页号 * 块大小 + 偏移， 可知道这段内存的起始位置。

进程每次想通过虚拟地址去定位物理地址时，都需要先去页表中找到虚拟地址对应的页，然后再得到物理地址。

• 快表 TBL（Translation Lookaside Buffer )）：

为了避免每次都取页表换算地址， 快表会缓存 虚拟地址->物理地址的直接映射，加快速度

• 多级页表

地址空间超级大， 1 页装不下怎么办？

用多级

一级页表指明二级页表的地址

二级页表再去实际地址

这样就可以有多页了。

3.2.2 分段

分页的话， 页的长度是固定的， 所以偏移量的最大值是固定的

分段的话不限制偏移量最大值，即可以很长一段

分段属于二维地址空间， 因为他除了给出逻辑地址，还得给出段长

有利于做动态链接： 程序动态修改

3.2.3 段页结合

作业先分成若干段， 再把段分页， 每个段可以找到一个也变

段号 S 页号 P 页内偏移

Q: 遍历二维数组的时候, 行遍历优先和列遍历优先的效率差别, 为什么会这样

A: 按行遍历比按列遍历的效率高体现在这些方面：

1. CPU 高速缓存

2. CPU 缓存从内存中抓取一般都是整个数据块，所以它的物理内存是连续的，几乎都是同行不同列的，而如果内循环以列的方式进行遍历的话，将会使整个缓存块无法被利用，而不得不从内存中读取数据，而从内存读取速度是远远小于从缓存中读取数据的。随着数组元素越来越多，按列读取速度也会越来越慢。

4 虚拟内存

4.1 概念

虚拟地址可以让进程获得比实际内存要大的内存特征：

• 多次性——作业可分多次装入内存

• 对换性——可在运行时对内存做兑换处理

• 虚拟性——逻辑上可充分扩充容量

要求：

必须使用非连续分配方式——分页、分段、段页

硬件需要支持 页表、中断、地址变换机构

理论依据：

时间局部性—— 指令和数据总是会在一段时间内被连续访问

空间局部性——某单元被访问，那么他附件的单元也很大概率会被访问

4.2 请求分页机制

再分页的基础上， 增加了 2 个功能：

请求调页——当页面不在内存中时，从外村申请调入

页面置换——把暂时不用的内存换出去，给其他需要进来的页腾出空间

页表项：

页号、物理块号

状态位 P：是否已经调入内存

访问字段 A： 记录访问次数或者访问标记，用于置换策略判断

修改维 M： 记录是否被修改过外村地址——当页被换出去时，指明这个页在外存的何处

缺页中断机构： 当页面不存在时， 负责产生缺页中断，进行页面置换操作。

缺页只能高端和系统中断不同， 属于指令中的操作，在执行期产生多次

地址变换机构：

1.先检索块表，如果能找到，则直接修改页表项的访问位。

2.块表中没有，则去 再检索内存中的页表，通过状态为 P 确认是否在内存中如果不在，则产生缺页中断。

4.3 工作集概念

驻留集：指系统给每个进程分配的内存中实际页面集合但是可能分配了 10 个， 却只有 5 个经常在用

工作集： 某时间段内，这个进程访问和使用的页面集合

通过工作集， 系统可以评估这个驻留集是否需要做删减，以及哪些页应该持续保留。

这样可以减少抖动，即减少内外村之间频繁的交换页

4.4 页面置换算法

• 最佳置换算法：

选未来最长时间不会被用到的页

这个要基于预测，比较难

• 先进先出 FIFO

可能引发 bleady 异常：

较早调入的页往往是经常被访问的页，这些页在 FIFO 算法下被反复调入和调出，并且有 Belady 现象。所谓 Belady 现象是指：采用 FIFO 算法时，如果对一个进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出现分配的页面数增多但缺页率反而提高的异常现象。

• 最近最久未使用（LRU）

选之前最长时间没访问的， 引入优先队列（最大堆）

需要设置访问时间字段

• 简单时钟 clock（最近未使用 NRU）

每个页有个标记。

刚换入内存或者被访问时，都会置 1

如果需要换页时，步骤如下：

1. 扫描围成换的页链表

2. 如果标记为 1，则改成 0，继续往下扫

3. 如果位 0， 则替换，并让指针指向下一页。

• 改进的 clock

把标记为改成 访问位 u 和修改维 m

• 1 类(A =0, M = 0)：表示该页面最近既未被访问，又未被修改，是最佳淘汰页。

• 2 类(A =0, M = 1)：表示该页面最近未被访问，但已被修改，并不是很好的淘汰页。

• 3 类(A =1, M = 0)：表示该页面最近已被访问，但未被修改，该页有可能再被访问。

• 4 类(A =1, M = 1)：表示该页最近已被访问且被修改，该页可能再被访问。

1. 先优先找 u=0 和 m=0 的页，有就直接替换

2. 没有，则找 u = 0 且 m=1 的页（ 没访问的最优先替换）， 做替换

3. 如果中间遇到 U=1 的， 则都会置 0， 如果 m=1 的也会置 0

4. 如果一圈都没有，则下一圈肯定有 01 或者 00 的。

4.5 页面分配量策略

• 固定分配，局部替换

每个进程分配固定的物理块， 且只能自己的块之间做替换

• 可变分配，全局替换

缺页时，可以从全局队列的页替换

• 可变分配，局部置换

自己替换自己，但是不够的时候可以加块

分配来源：对换区：频繁切换的区文件区：补怎么会变动和修改的

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