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内存管理概念

news 2025/7/14 7:32:53

1. 内存管理的基本功能

内存管理是操作系统核心模块，需实现以下功能：

分配与回收：管理内存空闲空间，为进程分配内存，回收终止进程的内存。
地址转换：将程序的逻辑地址映射为内存的物理地址（重定位）。
内存扩充：通过虚拟存储技术（如分页/分段）从逻辑上扩充内存。
内存共享：允许多进程访问同一内存区域（如共享库代码）。
存储保护：确保进程仅访问自己的内存空间，防止越界和干扰。

2. 逻辑地址与物理地址

类型	定义	特点
逻辑地址	程序编译/链接后生成的地址（从0开始），进程运行时使用。	进程私有，允许不同进程地址重叠（独立空间）。
物理地址	内存中实际存储单元的地址（硬件地址）。	全局唯一，是CPU访问内存的最终地址。

地址重定位：将逻辑地址转换为物理地址的过程，分为：

静态重定位：装入时一次性完成（程序运行时不可移动）。
动态重定位：执行时通过重定位寄存器动态转换（程序可移动，支持非连续分配）。

3. 程序的装入与链接

将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几个步骤：

编译。由编译程序将用户源代码编译成若干目标模块。
链接。由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及它们所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
装入。由装入程序将装入模块装入内存运行。

（1）装入方式

方式	时机	特点
绝对装入	单道程序环境，编译时确定物理地址。	逻辑地址=物理地址，仅适用于静态内存分配。
静态重定位	装入时完成地址转换。	需分配连续内存，运行中不可移动、不可扩存。
动态重定位	执行指令时动态转换地址。	支持非连续分配、动态扩存，需硬件（重定位寄存器）支持。

（2）链接方式

方式	时机	优点
静态链接	程序运行前，链接为完整模块。	运行时无需再链接，速度快。
装入时动态链接	装入内存时边装边链。	便于修改模块、共享目标代码。
运行时动态链接	程序执行中需调用模块时链接。	节省内存（未用模块不装入），加快启动速度。

4. 进程的内存映像

进程在内存中的布局（从低地址到高地址）：

代码段（.text）：只读的可执行指令，可共享（如共享库）。
数据段（.data/.bss）：全局变量和静态变量（.data初始化，.bss未初始化/初始化为0）。
堆：动态分配空间（如malloc），从低地址向高地址增长。
栈：函数调用栈（局部变量、返回地址），从高地址向低地址增长。
PCB：进程控制块，存放于系统区（内核空间）。

5. 内存保护机制

确保进程互不干扰，核心是越界检查，两种实现方式：

上下限寄存器：存放进程内存的最小/最大物理地址，访问地址需在范围内。
基址+限长寄存器：

基址寄存器（重定位寄存器）：存放进程起始物理地址（逻辑地址+基址=物理地址）。
限长寄存器：存放进程最大逻辑地址（逻辑地址>限长则越界）。

特权控制：基址/限长寄存器仅能由内核通过特权指令修改，防止用户进程篡改。

6. 内存共享

共享对象：只读区域（如可重入代码、共享库），多进程可共享同一份物理内存。
实现方式：

- 分页系统：各进程页表中对应共享页的页表项指向同一物理页。
- 分段系统：共享段在各进程段表中对应段表项指向同一物理段（更灵活）。

优势：节省内存（如40个用户共享160KB文本编辑器代码，仅需1份副本）。

7. 内存分配方式演变

随OS发展，分配方式从简单到复杂：

单一连续分配：单道程序，内存分为系统区和用户区（利用率低）。
固定分区分配：多道程序，内存划分为固定大小分区（内部碎片）。
动态分区分配：根据进程需求动态划分分区（外部碎片）。
离散分配：分页/分段存储管理，将进程分散装入内存（无连续内存要求，利用率高）。

核心考点

逻辑地址vs物理地址：逻辑地址是进程视角，物理地址是硬件视角，通过重定位转换。
动态重定位：需重定位寄存器，支持程序移动和非连续分配，是现代OS的基础。
内存保护：基址+限长寄存器实现越界检查，确保进程隔离。
内存共享：仅只读区域可共享（如代码段），通过页表/段表指向同一物理内存实现。

总结

内存管理核心功能与机制内存管理负责分配/回收内存、地址转换（逻辑→物理）、虚拟扩充及共享保护。逻辑地址为进程私有，物理地址全局唯一，通过静态或动态重定位转换。程序需经编译、链接（静态/动态）和装入（绝对/重定位）加载到内存，进程映像包含代码段、数据段、堆栈等。内存保护通过基址+限长寄存器实现越界检查，共享仅限只读区域（如代码段）。分配方式从单一连续到离散（分页/分段），动态重定位和离散分配提升利用率。核心在于地址转换、空间分配及保护共享，离散分配为现代OS高效管理关键