【操作系统学习】内存管理（二）

内存管理目录：

基本概念和内存分配

虚拟内存技术

局部页面替换算法

全局页面替换算法

1. 操作系统内存管理方面的任务

• 抽象：逻辑地址空间。不需要考虑复杂的实际物理地址空间。
• 保护：独立地址空间。进程之间程序运行不相互影响。
• 共享：访问相同内存。
• 虚拟化：更多的地址空间。最需要的放到内存中。

2. 在操作系统中管理内存的不同方法

• 程序重定位(逻辑地址和物理地址转换)
• 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。

必须知道内存架构。

MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求。

3. 一种简单的内存管理方法

• 当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间。
• 分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据。
• 碎片问题
• • 外碎片：还没有分配出去（不属于任何进程），但由于太小了无法分配给申请内存空间的新进程的空闲区域。
  • 内碎片：已经分配出去（明确指出属于哪个进程），却不能被利用的内存空间。

4. 连续分配策略

(1) 首次适配

• 需求
• 按地址排序的空闲块列表
• 分配需要寻找一个合适的分区
• 重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区
• 优势
• 简单
• 易于产生更大的空间块
• 劣势
• 外部碎片问题
• 不确定性

(2) 最优适配

• 为了避免分割大空闲块
• 为了最小化外部碎片产生的尺寸
• 需求
  • 按尺寸排列的空闲块列表
  • 分配需要寻找一个合适的分区
  • 重分配需要搜索及合并于相邻的空闲分区
• 优势
  • 当大部分是小尺寸时非常有效
  • 比较简单
• 劣势
  • 外部碎片
  • 重分配慢
  • 易产生很多没用的微小碎片

(3) 最差适配

• 为了避免有太多微小的碎片
• 需求；
  • 按尺寸排列的空闲块列表
  • 分配很快（获得最大的分区）
  • 重分配需要合并于相邻的空闲分区，若有，然后调整空闲块列表
• 优势
  • 假如分配是中等尺寸效果最好
• 劣势
  • 重分配慢
  • 外部碎片
  • 易于破碎大的空闲块以致打分去无法被分配

5. 碎片整理

• 压缩式碎片整理
  • 移动内存空间，减少碎片。
• 交换式碎片整理
  • 内存中没有空间，借用硬盘上的空间。当前没有用的程序放到硬盘。

6. 非连续内存分配

• 连续内存分配的缺点：
  • 分配给一个程序的物理内存是连续的
  • 内存利用率低
  • 有外碎片和内碎片问题
• 非连续分配的优点：
  • 一个程序的物理地址空间是非连续的
  • 更好的内存利用和管理
  • 允许共享代码与数据（共享库等…）
  • 支持动态加载和动态链接
• 非连续分配缺点
  • 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换？

    硬件方案/软件方案

   两种硬件方案

• 分段（更好的分类和共享）
  • 程序的分段地址空间
  • 分段寻址方案
• 分页（绝大多数CPU使用）
  • 划分物理内存至固定大小的帧
  • 划分逻辑地址空间至相同大小的页
  • 建立方案：转换逻辑地址为物理地址(pages to frames)

    页表和MMU/TLB

7. 分页机制

一个程序的逻辑地址空间被划分为大小相等的页

• 页内偏移的大小=帧内偏移的大小
• 页号大小<>帧号大小

页寻址机制

• 页映射到帧
• 页是连续的虚拟内存
• 帧是非连续的物理内存
• 不是所有的页都有对应的帧

分页机制的性能问题

• 访问一个内存单元需要2次内存访问
• 页表可能非常大
• 解决方法
• • TLB：空间换时间
  • 间接访问（二级页表/多级页表）：时间换空间

大地址空间问题

• 有大地址空间，前向映射页表变得繁琐。
• 不是让页表与逻辑地址空间的大小相对应，而是让页表与物理地址空间的大小相对应。
• 解决方案
  • 反向页表
    • 页表的大小不在和逻辑地址直接相关，而是和物理地址相关。
    • 技术要求较高。缓存，哈希。