五分钟读懂内存管理

五分钟读懂内存管理

内存管理是计算机操作系统中的一个核心功能，它负责管理和分配计算机内存资源，确保系统和应用程序能够高效运行。本文将带你深入了解内存管理的基本概念、工作原理以及常见的内存管理技术。

计算机系统结构

什么是内存

内存（Memory），通常指计算机内存，是计算机系统中的一种存储设备，用于临时存储数据和指令，以便处理器能够快速访问和处理。内存是计算机系统的重要组成部分，主要用于存储正在运行的程序和操作系统的数据，确保系统能够高效地执行任务。内存通常分为两大类：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

内存的分类

随机存取存储器（RAM）

• 动态随机存取存储器（DRAM）：需要周期性刷新以维持数据，常用于主内存。
• 静态随机存取存储器（SRAM）：不需要刷新，速度快，但成本高，通常用于缓存（Cache）。

只读存储器（ROM）

• 存储永久性数据，通常包含系统引导程序和固件，不易修改。

内存的功能

• 存储操作系统、应用程序和数据：内存提供一个临时存储区域，存储当前正在使用的数据和程序。
• 高速访问：内存的读取和写入速度远快于硬盘等存储设备，因此系统能更快地响应用户操作和执行任务。
• 数据交换：内存用于在CPU和其他硬件设备之间传输数据，确保高效的数据处理和系统运行。

内存的工作原理

1. 加载数据：当程序或操作系统需要处理数据时，这些数据会从较慢的存储设备（如硬盘）加载到内存中。
2. 执行指令：CPU从内存中读取指令和数据进行处理，执行操作。
3. 临时存储：处理中间结果和临时数据存储在内存中，以便快速访问和修改。
4. 数据交换：内存与CPU、硬盘、输入/输出设备之间进行数据交换。

内存的主要特性

• 易失性：RAM是易失性的，当电源关闭时，存储在其中的数据会丢失。
• 容量和速度：内存的容量和速度决定了系统的性能和多任务处理能力。更多的内存容量和更快的速度可以显著提高系统性能。
• 存取时间：内存的存取时间通常以纳秒（ns）为单位，表示读取或写入数据所需的时间。

内存结构

内存通常以层次结构组织，包括以下层次：

1. 寄存器：CPU内部的高速存储单元，存取速度最快，但容量有限。
2. 缓存（Cache）：位于CPU和主内存之间，分为L1、L2、L3等不同级别，用于加速数据访问。
3. 主内存（RAM）：主要用于存储正在执行的程序和数据，容量较大，但存取速度相对较慢。

内存的应用

• 操作系统运行：操作系统核心及其服务和驱动程序运行在内存中。
• 应用程序执行：应用程序及其数据加载到内存中执行。
• 数据缓存：临时存储常用数据和指令，提高系统响应速度。

内存管理

连续分配管理（工业使用较多）

• 单一连续分配：只能用于单用户单任务操作系统。作业一旦进入内存，要等结束之后释放。无法实现多个进程共享主存。
• 固定分区分配：将内存分成若干区，不同区可以放不同程序。要先确定，运行就不能改变。通常采用静态重定位方式装内存。
• 动态分区分配：是可变分区分配。根据作业大小动态分配创建分区。

非连续分配管理

页式存储

• 物理内存空间分为块（不一定连续），块大小与页大小相同，从0开始编号
• 逻辑空间等分为页，从0开始编号，页面大小为4KB
• 逻辑地址结构：页号，位移量（页内地址）
• 地址长度为32位，011位为页内地址，即，每页大小为4KB；1231位为页号，最多2²⁰页
• 逻辑地址/2¹²=页号%2¹²=页内地址
• 物理地址=块号*块大小+偏移量

缺页中断与页面置换算法

• OPT:最优页面置换算法：当发生缺页中断时，对于保存在内存中的每个逻辑页，计算在它的下一次访问之前，还需要等待多长时间，从中选择一个等待时间最长的页，作为被置换的页。
• FIFO:先进先出算法：选择在内存中驻留时间最长的页面作为被置换页
• LRU:最近最久未使用算法：选择最久未使用的页面，作为被置换页

页式存储优缺点

优点：

• 很好的解决外部碎片问题，只会产生内部碎片
• 打破内存分配的连续性需求
• 提高主存的利用率

缺点：

• 程序需要全部装入内存，需要有相应的硬件支持
• 会有内部碎片产生
• 动态的地址变化、方案实施需要耗用额外的系统资源
• 存储扩展问题没有解决一一进程大小受限制，可用块数小于进程需要的块数时需要等待

段式存储

段式存储基本原理：

• 用户编制的程序是由若干段组成的：
• 一个程序可以由一个主程序、若干子程序、符号表、栈以及数据等若于段组成。
• 每一段都有独立、完整的逻辑意义，每一段程序都可独立编制，且每一段的长度可以不同。
• 每一段都可从“0”编址，段与段之间地址不连续，但段内地址是连续的。
• 分段式存储管理为作业的每一个段分配一个连续的内存区域，用来存放该段信息。

段式管理的数据结构

• 逻辑地址结构：段号，位移量（段内地址）
• 段内地址 16位 即段最大大小64KB
• 逻辑地址/2¹⁶=段号%2¹⁶=段内地址

物理地址=基址+段内地址

段式存储优缺点

优点:

• 没有内部碎片
• 可以以段为单位编写和编译，隔断程序修改互相不影响
• 可以针对不同类型的段采取不同的保护
• 可以以段为单位进行共享，包括通过动态链接进行代码共享

缺点:

• 会产生外部碎片，不过由于进程被分为多个小块，所以外部碎片也会很小

段页式存储

段页式存储原理：

• 用户程序先分段，每个段内部再分页 (内部原理同基本的分页、分段相同)
• 段页式存储总结
• 1、结合了段式和页式的优点;但是增加了表 (存储表和查询表)开销，只在大型计算
  机系统中使用
• 2、段页式存储会产生外部碎片，还会产生内部碎片

段式和页式和段页式存储的比较

• 页式存储 就是说将程序分页时，页的大小是固定的，只根据页面大小强硬的将程序切割开而分段时比较灵活，只有一段程序有了完整的意义才将这一段切割开
• 分页式作业的地址空间是一维的，页间的逻辑地址是连续的，而分段式作业的地址空间则是二维的，段间的逻辑地址是不连续的
• 在页式、段式存储管理中，为获得一条指令或数据，须两次访问内存而段页式则须三次访问内存

内存碎片

内存碎片主要分为，内部内存碎片和外部内存碎片。

内存分页由于内存空间都是预先划分好的，页与页之间是紧密排列的，所以不会有外部碎片。

但是，因为内存分页机制分配内存的最小单位是一页，即使程序不足一页大小，我们最少只能分配一个页，所以页内会出现内存浪费，所以针对内存分页机制会有内部内存碎片的现象。

内存分段管理可以做到段根据实际需求分配内存，所以有多少需求就分配多大的段，所以不会出现内部内存碎片。

但是由于每个段的长度不固定，所以多个段未必能恰好使用所有的内存空间，会产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载，所以会出现外部内存碎片的问题。