💝操作系统物理内存管理

• 计算机体系结构/内存分层体系

• 地址空间 &地址生成

• 连续内存分配

🎍1. 计算机体系结构/内存分层体系

🎉1.1 计算机体系结构

• CPU

• 内存

• IO

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🎉1.2 内存层次结构

• 内存层次结构：CPU 访问内存的指令或数据所处的具体位置。

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从 CPU 寄存器到磁盘，读写速度不断降低，存储数据容量大小不断增大。

• 运行内存（主存）：主存是在程序运行时所需要保存的数据空间

• 磁盘（虚拟内存）：用于持久化数据保存的空间

• CPU 可以访问的内存包括两大类 : 寄存器 / cache(L1 缓存 / L2 缓存) （操作系统不可以访问这俩部分）

CPU访问的层次|___CPU寄存器/L1缓存|___L2缓存|___主存（程序访问）|___磁盘（程序访问）

🎉1.2 内存管理目标

• 抽象：逻辑地址空间

• 保护：独立地址空间

• 共享：访问相同内存

• 虚拟：更多的地址空间

有俩个地址空间：物理空间和逻辑空间主存是一种物理地**址空间，程序是一种逻辑地址空间

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🎉1.3 内存管理方法

• 程序重定位

• 分段

• 分页

• 虚拟内存

• 按需分页虚拟内存

实现高度依赖于硬件

• 内存结构

• MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理 CPU 的内存访问要求

操作系统是一个软件，在完成上述功能时，同时需要依赖硬件

🎍2. 地址空间 & 地址生成

• 地址空间定义

• 地址生成

• 地址安全检查

🎉2.1 地址空间的定义

• 物理地址空间：硬件支持的地址空间，包括主存和硬盘（虚拟内存）

• 逻辑地址空间：一个运行在程序所拥有的的内存范围，地址空间是一维的

• 逻辑地址空间和物理地址空间有映射关系，这是靠OS来维持的,每一个逻辑空间都有对应的物理地址空间，可能对应内存也可能对应硬盘

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逻辑地址生成

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• 逻辑地址生成，.c 程序经过编译得到.s 文件，再经过汇编得到.o 文件，此时变量名和函数名都会转换成从 0 开始的连续地址空间，然后再经过链接把多个.o 文件生成.exe 文件，此时因为链接了其他函数库，所以地址会产生偏移，从图中可以看到程序地址从 0-75 变成了 0-175。链接产生的地址 0-175 就是逻辑地址。

• 然后 loader 程序会把硬盘中的.exe 文件加载到内存中运行。但是问题在于，假设另外一个程序的地址为 0-200，那这两个程序因为地址冲突就不能一起执行了，为了解决这个问题，MMU 会对程序的逻辑地址进行映射，转换成对应的物理地址。这样子，两个不同程序会映射到不同的物理地址上，避免冲突。所以程序加载时候会对逻辑地址进行重定位，转换成物理地址。

逻辑地址如何对应到物理地址

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1. 当 CPU 执行某条指令，它的 ALU 需要这个程序的内容，带着参数（逻辑地址）

2. CPU 会查找这个逻辑地址的映射表 MMU，是否存在对应的物理地址，如果没有就会到内存中的 map 中找

3. 找到后，他会给主存发送请求，请求该物理地址的内容

4. 主存灰浆内容通过总线传到 CPU，然后 CPU 执行指令。

操作系统在此之前，需要建立逻辑地址和物理地址的映射关系，这个关系可以放到CPU，由内存缓存，加快访问过程

安全检查（程序之间不能干扰，确保程序访问合法）

• 操作系统确保每一个程序有效访问的地址空间（起始地址+偏移量）

• CPU 执行指令会查找 MAP，MAP 会指出访问的逻辑地址，看逻辑地址是否满足该限制（当超出该长度，就是不合法访问，这是 OS 来维护的），当不满足 CPU 就会产生一个系统异常，让 OS 进一步处理

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🎍3. 连续内存分配

• 内存碎片问题

• 分区的动态分配

• 第一适配

  最佳适配

  最差适配

• 压缩式碎片整理

• 交换式碎片整理

🎉3.1 内存碎片问题

• 内存碎片：给运行程序分配一块空间后，会出现一部分无法利用的空间。

• 内存碎片分为：外部碎片和内部碎片
  

  外部碎片：在分配单元之间无法使用的内存

  内部碎片：已经分配给了应用程序，但是它无法使用，单元分配之内，无法使用

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🎉3.2 分区的动态分配

• 程序从硬盘加载到内存，需要为他分配一块连续的空间

• 程序在运行过程中需要访问数据，为他的数据分配内存

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🔔3.2.1 首次适配

• 在内存中找到第一个比需求大的空闲块, 分配给应用程序

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🔔3.2.2 最优适配

• 寻找整个空间块中，最适合满足需求的空间块（在内存中找到最小的空闲块, 分配给应用程序）

相比首次适配

1. 为了避免份分割大的空间块

2. 为了最小化外部碎片产生的尺寸

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🔔3.2.3 最差适配

• 在内存中找到最大的空闲块, 分配给应用程序

为了避免太多的微小的碎片

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🔔3.2.4 3 种分配策略区别

这三种都是一些简单的内存管理算法，没有优劣，因为操作系统的分配是随机的。

🎉3.3 压缩式碎片整理

将运行程序所在的内存，在内存中移来移去，使得空闲的块变得连续

1. 压缩式碎片整理

   重置程序以合并碎片

   要求所有程序是动态可重置的

   问题 :

   何时将程序重置 ? (在程序处于等待状态时才可以重置)

   需要考虑内存拷贝的开销

主要是利用软件，来进行程序重置

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🎉3.4 交换式碎片整理

把当前没有运行的程序，把它所占的空间放在硬盘上，从而空出更多的空闲空间

• 运行程序需要更多的内存时，抢占等待的程序并且回收它们的内存

• 问题 :

  哪些程序应该被换入换出 ?

  什么时候进行换入和换出

  而且换入换出是以单个程序的大小为力度，此时开销大

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