第三章 内存
第三章 内存
内存基础知识
内存管理概念
内存保护
内存映像
覆盖与交换
内存分配（连续分配方式）
内存分配（动态分配方式）
分页存储管理
- 进程的逻辑地址空间——页表——内存块——内存的关系
1. 进程拥有独立的进程空间，每一个进程空间也是“页管理”
2. 页表：页号（隐含）+块号。块既对应逻辑空间的页，也对应物理空间的页（内存块）
3. 内存块：在物理空间的“页框”
三者的“页”（最小管理单元）对应，但是大小可能不同。页表更倾向于一种记录型的映射结构注意：页表项并不是和内存块一一对应的
如何实现地址转换
2的整数次幂使得在计算页号和偏移量时更快
逻辑地址转换为物理地址的四件事：
1. 由 逻辑地址 获得页号、页内偏移量
2. 通过 页表 获得 页块
3. 计算 物理地址 = 页块 * 页大小 + 页内偏移量
注意：由于 乘法 的效率很低，所以当使用 2 的整数次幂时，会发现，在 32 位计算机中，页大小为 4KB = 2的12次方，因此，32位的前20位为整数位（页号），后12位为余数位（页内偏移量）的二进制表示。因此可以更快的拆分出 页号 + 页内偏移量
页表寄存器：存储 页表 的 页表起始地址 和 页表长度（一种基于内存的地址变换机构）
页表项大小的进一步探讨：
具有快表的地址变换结构：（基于 cpu高速缓存）
访存：访问内存（查询慢表、目标内存单元速度相同）
两级页表
这里其实说的是：页表结构也需要存在内存中，每一个页表很大，一个页表项一般为4kb，一般页表大小为2的20次方个页表项。一个内存块就是一个页面但是：如果整个页表都存在内存中，就需要一段很大的连续内存，而且可能产生页内碎片。这与我们离散型存储的思想相悖。所以我们对页表页进行离散式的存储。设置二级页表，用于记录 页表号、内存块号。根据页表号找到对应的内存块。然后就是典型的单级页表的查询方式了。这样情况下，原先的地址，比如32位：前10位为 页表号，中间10位为 页号，后面11位 为页内偏移量
总结：
分段存储管理
分段和分页的对比
段页式管理方式
虚拟内存
请求分页管理方式
页面置换算法
目的：选择换出哪个页面。尽量降低缺页率。
缺页率 = 缺页次数 / 整体请求页数量
最佳置换算法（opt）
简单的说，就是换出长时间不会被访问的页面。（理想化：因为不能预知之后要使用的页面序列）
性能最好（条件：可预知）
先进先出置换算法（FIFO）
算法性能最差
最近最久未使用置换算法（LRU）
时钟置换算法（CLOCK）
页面分配策略
何时调入？
何处调入？
工作集：为了解决抖动（颠簸）现象
抖动（颠簸）现象：页面频繁换入换出的现象。主要原因：分配给进程的物理块不够
内存映射文件
操作系统内存管理总结
一、内存管理概述
- 核心目标：高效、安全地分配和管理内存资源，提升内存利用率，保障多进程间内存隔离与数据安全。
- 关键功能：内存分配与回收、内存保护、地址映射、内存扩充（虚拟内存技术）。
二、内存管理基本技术
（一）连续分配管理方式
- 单一连续分配
- 特点：内存分为系统区和用户区，仅允许单个用户进程运行。
- 优缺点：实现简单，但内存利用率极低，仅适用于单道程序环境。
- 固定分区分配
- 特点：将内存划分为若干固定大小的分区，每个分区可装入一个进程。
- 优缺点：支持多道程序，存在内部碎片（分区内未被利用空间），分区大小固定导致大进程无法装入。
- 动态分区分配（可变分区分配）
- 特点：根据进程实际需求动态划分内存分区，分区大小随进程变化。
- 内存分配算法
- 首次适应算法：从低地址开始查找第一个足够大的空闲分区，简单高效，易产生碎片。
- 最佳适应算法：选择与进程大小最接近的空闲分区，易产生大量微小碎片。
- 最坏适应算法：选择最大的空闲分区，减少碎片但可能导致大分区被分割。
- 优缺点：无内部碎片，但存在外部碎片（分散的小空闲分区），需紧凑技术（内存移动合并碎片）辅助。
（二）非连续分配管理方式
- 分页存储管理
- 基本思想：将内存和进程划分为大小相等的页（内存物理块）和页框，通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射。
- 关键概念
- 页号：逻辑地址高位，对应页表索引。
- 页内偏移量：逻辑地址低位，确定页内具体位置。
- 页表：记录页号与物理块号的映射关系，存于内存，查询需一次访存。
- 优缺点：无外部碎片，内存利用率高，支持虚拟内存；存在页内碎片（每页最后部分可能未被利用），地址转换开销较大。
- 分段存储管理
- 基本思想：按程序逻辑结构（如代码段、数据段、栈段）划分为若干段，每段有独立段名和长度，通过段表映射逻辑段到物理内存。
- 关键概念
- 段号：逻辑地址高位，标识段类型和功能。
- 段内偏移量：逻辑地址低位，确定段内具体位置。
- 段表：记录段号、段长和基址，检查偏移量是否越界（段内偏移量≤段长）。
- 优缺点：便于程序模块化设计和共享，支持动态链接；存在外部碎片，地址转换需两次访存。
- 段页式存储管理
- 基本思想：结合分段和分页，先将进程分为若干段，每段再划分为若干页，通过段表和页表实现两级地址映射。
- 地址转换过程：逻辑地址→段表（查段对应的页表基址）→页表（查页对应的物理块号）→物理地址，需三次访存（引入快表可加速）。
- 优缺点：兼具分段和分页优势，减少碎片，支持动态链接和共享；结构复杂，地址转换开销大。
三、虚拟内存技术
（一）核心思想
- 基于局部性原理（进程在一段时间内集中访问部分区域），允许进程仅装入部分页面 / 段到内存，其余数据存于外存，运行时按需调入（请求调页 / 段），实现 “内存不足时运行大程序” 的效果。
（二）关键技术
-
请求分页存储管理
-
与分页的区别：页表增加状态位（是否在内存）、访问位（记录访问频率）、修改位（是否被修改），支持缺页中断（进程访问不在内存的页时触发，调入页面）。
-
页面置换算法
：当内存无空闲块时，选择淘汰页面的策略。
- 最佳置换算法（OPT）：理论上最优，淘汰最远将来才使用的页，无法实现，用于性能对比。
- 先进先出算法（FIFO）：淘汰最早进入内存的页，可能产生 “Belady 现象”（增加物理块数反而使缺页率上升）。
- 最近最久未使用算法（LRU）：淘汰最长时间未访问的页，需记录页访问时间，硬件成本高（可用寄存器或栈实现近似算法）。
- Clock 算法（最近未使用算法，NRU）：通过访问位标记页是否被访问，淘汰未被访问的页，简单高效。
-
-
请求分段存储管理：类似请求分页，增加段的状态位和缺段中断，支持段的动态增长和共享。
（三）内存扩充效果
- 逻辑地址空间远大于物理内存空间，提升多道程序并发度，但需注意缺页 / 段率过高导致的 “抖动”（频繁内外存交换，系统性能急剧下降）。
四、内存保护机制
- 目的：防止进程越权访问或破坏其他进程 / 系统内存数据。
- 实现方式
- 界限寄存器：设置上下界寄存器，检查进程访问地址是否在合法范围内。
- 存储键与访问权字节：内存块分配存储键，进程持访问权字节（密钥），匹配则允许访问。
- 与地址映射结合：在地址转换过程中同步检查访问权限，确保安全。
五、总结对比
| 管理方式 | 连续 / 非连续 | 主要碎片类型 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 单一连续分配 | 连续 | 无（仅单进程） | 早期单用户系统（如 DOS 雏形） |
| 固定分区分配 | 连续 | 内部碎片 | 简单多道程序系统（如早期批处理系统） |
| 动态分区分配 | 连续 | 外部碎片 | 需动态适应进程大小的系统（需紧凑技术） |
| 分页管理 | 非连续 | 页内碎片（内部） | 现代操作系统基础（如 Linux 内存管理基础） |
| 分段管理 | 非连续 | 外部碎片 | 支持程序模块化的系统（如早期 UNIX） |
| 段页式管理 | 非连续 | 页内碎片 | 复杂系统（如 Windows 早期版本） |
| 虚拟内存（请求分页 / 段） | 非连续 | 页内碎片 + 外部碎片（通过置换算法缓解） | 多任务、大程序运行的现代系统（如 Linux、Windows） |
重点总结：内存管理围绕 “高效分配、安全隔离、虚拟扩充” 展开，连续分配简单但碎片问题严重，非连续分配（分页 / 分段）是主流，虚拟内存技术突破物理内存限制，保护机制确保系统稳定。不同场景需权衡碎片、性能和实现复杂度选择合适方案。