计算机操作系统（十七）内存管理

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前言

• 在上一篇博客中，我们深入探讨了进程同步，了解了进程间如何协调以避免冲突、有序执行。
• 进程运行离不开内存资源，因此，这一篇博客，我们将开启内存管理的学习之旅，探究操作系统是如何高效管理内存，为进程运行保驾护航的。

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一、内存的使用与程序重定位

（一）内存是什么？

内存是计算机中用于临时存储数据和程序的硬件设备，就像我们日常办公时的"书桌"。当我们要运行一个程序（比如打开浏览器），计算机需要先把程序从硬盘（相当于"文件柜"）复制到内存这个"书桌"上，CPU才能快速读取并执行。

（二）程序的重定位过程

1. 程序的三种地址形态

   • 逻辑地址：程序员写代码时用的"虚拟地址"，比如在C语言中定义int a=10;，编译器会给变量a分配一个逻辑地址（例如0x1000），这个地址不考虑实际内存位置。
   • 相对地址：经过汇编或编译后生成的"相对起始地址"。比如一个程序模块的相对地址从0开始，内部函数调用使用相对地址（如调用偏移量100的函数）。
   • 物理地址：内存中真实的硬件地址，就像每个内存单元的"门牌号"（例如0x80000010）。

2. 为什么需要重定位？
   当程序被装入内存时，它在内存中的起始位置是不确定的。比如同一个程序第一次从内存地址0x1000开始存放，第二次可能从0x5000开始。这时候程序内部的逻辑地址必须转换成对应的物理地址，否则CPU会找不到正确的数据，就像快递地址写错会导致包裹送错地方。

3. 两种重定位方式

   • 静态重定位：在程序装入内存时一次性完成地址转换。就像搬家前把所有家具的位置在图纸上标好，搬家时直接按图纸摆放，之后不再改变。优点是简单，缺点是程序一旦装入就不能移动位置。
   • 动态重定位：程序运行时通过硬件地址转换机构（如基址寄存器）实时转换地址。就像随身携带一个"地址翻译器"，走到哪里都能把逻辑地址翻译成当前位置的物理地址。优点是程序可以在内存中移动（比如内存紧凑时），缺点是需要额外的硬件支持。

（三）总结：内存使用的核心问题

程序要在内存中运行，必须解决"地址转换"的问题，而重定位就是连接逻辑世界（程序员视角）和物理世界（硬件视角）的桥梁。

二、连续分区管理：早期的内存管理方案

（一）什么是连续分区？

• 把内存划分为若干个连续的区域，每个区域分配给一个程序使用，就像把一块大蛋糕切成若干块，每块给一个人吃。
• 早期的操作系统（如DOS）常用这种方式。

（二）三种典型方案

1. 单一连续分区（最简单的方案）

   • 内存分为两部分：一部分给操作系统（比如Windows的内核），剩下的全部给一个应用程序。
   • 缺点：一次只能运行一个程序（想想看，你不能同时打开微信和浏览器），内存利用率极低。

2. 固定分区（稍微进步一点）

   • 提前把内存划分为大小固定的几个分区（比如1MB、2MB、4MB），每个分区可以存放一个程序。
   • 问题：如果程序大小超过分区大小，无法装入；如果程序太小，分区剩余空间浪费（比如一个500KB的程序装入1MB的分区，浪费500KB）。

3. 动态分区（按需分配）

   • 不再提前划分分区，而是根据程序需要动态划分。比如程序需要3MB内存，就从空闲内存中切出3MB的连续空间。
   • 关键问题：如何高效分配和回收空间？
     • 分配算法：
       • 首次适应：从内存起始位置开始找，第一个足够大的空闲块就分配，简单但可能留下小碎片。
       • 最佳适应：找最接近程序大小的空闲块，看似合理，却容易产生大量微小碎片（比如把大空闲块切成刚好够用的小块，剩下的小碎片难以利用）。
     • 回收问题：当程序运行结束释放内存时，如果相邻的空闲块，需要合并成一个大的空闲块，否则会形成不连续的碎片。

（三）连续分区的致命缺陷：内存碎片

无论是固定分区还是动态分区，都会面临"碎片问题"。比如内存中有多个小的空闲块，但合起来不够一个程序使用（就像钱包里有很多零钱，但凑不出一张整钞）。为了解决这个问题，操作系统不得不定期进行"内存紧凑"（把正在运行的程序移动到连续的区域，合并空闲块），但这会消耗大量CPU资源。

三、分页管理：用"拆分成小块"解决碎片问题

（一）核心思想：把内存和程序都切成小块

1. 页与页框

   • 把程序逻辑地址空间划分为大小相等的"页"（Page，比如4KB大小）。
   • 把物理内存划分为同样大小的"页框"（Page Frame，也叫页帧）。
   • 程序的每个页可以装入任意一个页框，不需要连续，就像把一本书拆分成若干章节（页），每个章节可以放在不同的书架格子（页框）里，只要知道每个章节放在哪个格子，就能快速找到。

2. 页表：记录"页"的位置

   • 每个程序有一张"页表"，记录逻辑页号到物理页框号的映射关系。比如逻辑页0对应物理页框5，逻辑页1对应物理页框3。
   • 地址转换过程：当程序访问逻辑地址（由页号+页内偏移组成），CPU通过页表找到对应的页框号，再加上页内偏移，得到物理地址。例如：页大小4KB（12位），逻辑地址0x1234（二进制0001 0010 0011 0100），前4位（0001）是页号，后12位（0010 0011 0100）是页内偏移。通过页表查到页号1对应的页框号是3（二进制0011），物理地址就是0011 0010 0011 0100（0x3234）。

（二）分页的优点

1. 几乎消除外部碎片：程序的页可以分散存储，只要有足够的页框就能装入，不会因为空闲块不连续而无法分配。
2. 内存利用率高：页的大小固定（通常4KB-8KB），每个程序最后一个页即使没装满，浪费的空间也很小（最多一个页的大小），这叫"内部碎片"，比连续分区的碎片问题好很多。

（三）分页的问题

1. 页表占用内存：每个程序都需要页表，如果页表很大（比如64位系统），可能需要多级页表（比如二级页表、三级页表）来减少内存占用。
2. 程序员无感知：分页是操作系统底层的机制，程序员不需要关心，所有地址转换由硬件和操作系统自动完成。

四、分段管理：从"逻辑模块"角度管理内存

（一）为什么需要分段？

分页解决了内存碎片问题，但它是从"物理内存划分"的角度设计的，而程序员写程序时更习惯按逻辑模块划分（比如代码段、数据段、堆栈段）。比如一个C程序包含main函数（代码段）、全局变量（数据段）、函数调用栈（堆栈段），分段管理就是把这些逻辑模块分别装入内存，每个段可以独立增长和共享。

（二）分段的核心概念

1. 段：每个程序由若干个段组成，每个段有自己的名称（如代码段.text、数据段.data）和长度。比如代码段可能有10KB，数据段可能有5KB。
2. 段表：记录每个段的起始物理地址和长度。当程序访问逻辑地址（段号+段内偏移），首先检查段内偏移是否超过段长度（防止越界访问，比如数组下标越界），然后用段号找到段的起始地址，加上偏移得到物理地址。

（三）分段的优点

1. 符合程序逻辑结构：程序员可以直观地理解内存布局，比如调试时知道代码段在哪个区域，数据段在哪个区域。
2. 支持段的共享与保护：多个程序可以共享同一个代码段（比如共享C语言标准库），每个段可以设置访问权限（代码段只读，数据段可读写）。

（四）分段的缺点

1. 外部碎片问题回归：每个段需要连续的内存空间，段与段之间可能产生碎片（类似动态分区管理的问题）。
2. 段大小不固定：大段可能难以分配，小段可能浪费空间（但比连续分区好，因为程序可以分成多个小段）。

五、段页式管理：集大成者

（一）设计思想：分段+分页，取长补短

1. 先分段，再分页：每个段被划分为若干个页，结合分段的逻辑模块化和分页的内存高效利用。
   • 比如代码段分成3个页，数据段分成2个页，每个页装入页框，不需要连续。
2. 地址结构：段号+段内页号+页内偏移。通过段表找到段对应的页目录表，再通过页表找到页框号，最后得到物理地址。

（二）地址转换过程（稍微复杂，但更灵活）

1. 程序访问逻辑地址（段号S，段内逻辑地址A）。
2. 通过段表找到该段的页目录表起始地址。
3. 段内逻辑地址A分为页号P和页内偏移D。
4. 通过页目录表和页表找到页框号F。
5. 物理地址 = F×页大小 + D。

（三）优缺点

• 优点：
  • 既有分段的逻辑清晰（支持模块划分、共享、保护），又有分页的内存高效（消除外部碎片，内部碎片少）。
  • 适合大型程序和多任务系统（如Windows、Linux）。
• 缺点：
  • 地址转换需要多次访问内存（段表+页表），为了加速，通常使用"快表"（TLB，高速缓存）来缓存最近访问的段页信息。
  • 管理复杂度最高，需要维护段表和页表两级结构。

（四）实际应用

现代操作系统（如x86架构的Linux、Windows）普遍采用段页式管理，但为了简化，有时会让段的作用弱化（比如默认段号为0，只使用分页），但底层机制仍支持分段与分页的结合。

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以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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