1. 内存的基础知识

1.1 什么是内存，有何作用

内存可存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——内存也是为了缓和CPU与磁盘之间的速度矛盾

补充知识：

1.2 进程运行的基本原理

1.2.1 指令的工作原理

指令的工作基于“地址”。每个地址对应一个数据的存储单元。

可见，我们写的代码要翻译成CPU能识别的指令。这些指令会告诉CPU应该去内存的哪个地址读/写数据，这个数据应该做什么样的处理。在此例中，我们默认让这个进程的相关内容从地址0开始连续存放，指令中的地址参数直接给出了变量x的实际存放地址（物理地址）

1.2.2 逻辑地址 VS 物理地址

• C语言程序经过编译、链接处理后，生成装入模块，即可执行文件（*.exe）
• 程序经过编译、链接后生成了装入模块，其中装入模块生成的指令中指明的是逻辑地址（相对地址）
• 物理地址（绝对地址） 是实际内存硬件中的地址。将装入模块装入至内存中，此时会发生地址转换，将逻辑地址转换为物理地址

1.3 如何实现地址转换（逻辑 -> 物理）

三种装入方式：

• 1. 绝对装入
• 2. 可重定位装入（静态重定位）
• 3. 动态运行时装入（动态重定位）

1.3.1 绝对装入

绝对装入：在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。

绝对装入只适用于单道程序环境。程序中使用的绝对地址，可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。通常是在编译或汇编时再转换为绝对地址。

1.3.2 可重定位装入（静态重定位）

静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）。

静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业。作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动，也不能再申请内存空间。

1.3.3 动态运行时装入（动态重定位）

动态重定位：又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

采用动态重定位时允许程序在内存中发生移动。并且可将程序分配到不连续的存储区中；在程序运行前只需装入它的部分代码即可投入运行，然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存；便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。

1.4 从写程序到程序运行的过程

1.5 链接的三种方式

1.5.1 静态链接

静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开。

1.5.2 装入时动态链接

装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式。

1.5.3 运行时动态链接

运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

1.6 总结

2. 内存管理的概念

操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，要管些什么呢？

• 1. 负责内存空间的分配与回收
• 2. 需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
• 3. 需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换
• 4. 需要提供内存保护功能。保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰

2.1 内存空间的分配与回收

• 内部碎片：分配给某进程的内存区域中，有些部分没有用上
• 外部碎片：是指内存中的某些空闲分区由于太小而用不上或难以利用

2.1.1 连续分配管理方式

连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间

Ⅰ 单一连续分配

• 在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统的相关数据；用户区用于存放用户进程相关数据
• 内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间

优缺点：

• 优点：实现简单；无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采用内存保护
• 缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；存储器利用率极低

Ⅱ 固定分区分配

为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

• 分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适用于用一台计算机控制多个相同对象的场合
• 分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分

操作系统需要建立一个数据结构——分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）

当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，并结合一定算法从中找到一个能满足大小的、未分配的合适分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配”。

优缺点：

• 优点：实现简单，无外部碎片
• 缺点：a. 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能；b. 会产生内部碎片，内存利用率低

Ⅲ 动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区地大小正好适合进程地需要。因此用户分区地大小和数目是可变的。

• 1. 系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？
     

• 2. 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

在下一小节将介绍动态分区分配算法

• 3. 如何进行分区的回收操作？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”如何分配？

情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区（回收进程4（4MB））

情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区（回收进程3（18MB））

情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区（回收进程4（4MB））

情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区（回收进程2（14MB））
优缺点：

• 动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片
• 如果内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，导致这些“碎片”不能满足进程的需求。所以可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术来解决外部碎片。
• 动态分区分配应使用动态运行时装入方式。采用“紧凑”技术之后，需更新重定位寄存器的值并且同时更新空闲分区表或空闲分区链，使其对应上“紧凑”之后空间块的情况

Ⅳ 总结

2.1.2 动态分区分配算法

动态分区分配算法：在动态分区分配方式中，当很多个空闲分区都能满足需求时，应选择哪个分区进行分配？

Ⅰ 首次适应算法

• 算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。
• 如何实现：空闲分区以地址递增的次序排序。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

如下图所示，依次为进程5和进程6分配空闲分区：

Ⅱ 最佳适应算法

• 算法思想：由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区。即优先使用满足分配的更小的空闲区
• 如何实现：空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

如下图所示，依次为进程5和进程6分配空闲分区：

缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小的、难以利用的内存块。因此这种方式会产生很多的外部碎片。且要维护空闲分区按容量递增次序链接必然会使用排序，这也是性能的一种消耗。

Ⅲ 最坏适应算法

• 又称最大适用算法
• 算法思想：为了解决最佳适应算法的问题——即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用
• 如何实现：空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

如下图所示，依次为进程5和进程6分配空闲分区：

缺点：每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的
空闲区更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲区被
迅速用完。如果之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用了。

Ⅳ 邻近适应算法

• 算法思想：首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
• 如何实现：空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表）。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

分析：

• 首次适应算法每次都要从头查找，每次都需要检索低地址的小分区。但是这种规则也决定了当低地址部分有更小的分区可以满足需求时，会更有可能用到低地址部分的小分区，也会更有可能把高地址部分的大分区保留下来（首次适应算法隐含了最佳适应算法的优点）
• 邻近适应算法的规则可能会导致无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用，也就导致了高地址部分的大分区更可能被使用，划分为小分区，最后导致无大分区可用（邻近适应算法隐含了最大适应算法的缺点）
• 综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好

Ⅴ 总结

2.2 内存空间的扩充

2.2.1 覆盖技术

早期的计算机内存很小，比如IBM推出的第一台PC机最大只支持1MB大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题

覆盖技术的思想：

• 将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存
• 内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”
• 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）
• 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存
• 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。缺点：对用户不透明（可见），增加了用户编程负担。覆盖技术只用于早期的操作系统，现在已成为历史
  

2.2.2 交换技术

• 交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中的某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

• 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存
• 暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态）
• 挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

2.2.3 总结

2.3 地址转换

为了使编程更方便，程序员写程序时应该只需要关注指令、数据的逻辑地址。而逻辑地址到物理地址的转换（这个过程称为地址重定位）应该由操作系统负责，这样就保证了程序员写程序时不需要关注物理内存的实际情况。

2.3.1 连续分配的地址转换

连续分配对应了三种装入方式，三种装入方式的地址转换各不同，如下所示：

2.3.2 总结

2.4 存储保护

2.4.1 方式

内存保护可采取两种方式：

• 方法一：在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程得上、下限地址。进程得指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界

• 方法二：采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址

2.4.2 总结

本篇文章只介绍了内存管理中的连续分配管理方式，而非连续分配管理方式和内存虚拟化技术将在后续文章中介绍

参考：《王道计算机考研 操作系统》
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