“碎片的內(nèi)存”描述一個(gè)系統(tǒng)中所有不可用的空閑內(nèi)存。這些資源之所以仍然未被使用，是因?yàn)樨?fù)責(zé)分配內(nèi)存的分配器使這些內(nèi)存無法使用。這一問題通常都會(huì)發(fā)生，原因在于空閑內(nèi)存以小而不連續(xù)方式出現(xiàn)在不同的位置。由于分 配方法決定內(nèi)存碎片是否是一個(gè)問題，因此內(nèi)存分配器在保證空閑資源可用性方面扮演著重要的角色。

internal fragmentation:when memory allocated to a process is larger than requested memory,?

the difference between these two numbers is internal fragmentation.

external fragmentation:External fragments exists when total memory space exists to satisfy a request,

but it is not continous. storage is broken into little pieces.?

在內(nèi)存管理中，內(nèi)部碎片是已經(jīng)被分配出去的的內(nèi)存空間大于請(qǐng)求所需的內(nèi)存空間。

外部碎片是指還沒有分配出去，但是由于大小太小而無法分配給申請(qǐng)空間的新進(jìn)程的內(nèi)存空間空閑塊。

固定分區(qū)存在內(nèi)部碎片，可變式分區(qū)分配會(huì)存在外部碎片；

頁式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)存在內(nèi)部碎片；段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，存在外部碎片

為了有效的利用內(nèi)存，使內(nèi)存產(chǎn)生更少的碎片，要對(duì)內(nèi)存分頁，內(nèi)存以頁為單位來使用，最后一頁往往裝不滿，于是形成了內(nèi)部碎片。

為了共享要分段，在段的換入換出時(shí)形成外部碎片，比如5K的段換出后，有一個(gè)4k的段進(jìn)來放到原來5k的地方，于是形成1k的外部碎片。

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存儲(chǔ)器是個(gè)寶貴但卻有限的資源。一流的操作系統(tǒng)，需要能夠有效地管理及利用存儲(chǔ)器。

內(nèi)存為程序分配空間有四種分配方式：

1、連續(xù)分配方式

2、基本分頁存儲(chǔ)管理方式

3、基本分段存儲(chǔ)管理方式

4、段頁式存儲(chǔ)管理方式

連續(xù)分配方式

首先講連續(xù)分配方式。連續(xù)分配方式出現(xiàn)的時(shí)間比較早，曾廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)60~70年代的OS中，但是它至今仍然在內(nèi)存管理方式中占有一席之地，原因在于它實(shí)現(xiàn)起來比較方便，所需的硬件支持最少。連續(xù)分配方式又可細(xì)分為四種：單一連續(xù)分配、固定分區(qū)分配、動(dòng)態(tài)分區(qū)分配和動(dòng)態(tài)重定位分區(qū)分配。

其中固定分區(qū)分配方式，因?yàn)榉謪^(qū)固定，所以缺乏靈活性，即當(dāng)程序太小時(shí)，會(huì)造成內(nèi)存空間的浪費(fèi)；程序太大時(shí)，一個(gè)分區(qū)又不足以容納，致使程序無法運(yùn)行。但盡管如此，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)去控制多個(gè)相同對(duì)象的時(shí)候，由于這些對(duì)象內(nèi)存大小相同，所以完全可以采用這種內(nèi)存管理方式，而且是最高效的。這里我們可以看出存儲(chǔ)器管理機(jī)制的多面性：即沒有那種存儲(chǔ)器管理機(jī)制是完全沒有用的，在適合的場(chǎng)合下，一種被認(rèn)為最不合理的分配方案卻可能稱為最高效的分配方案。一切都要從實(shí)際問題出發(fā)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了解決固定分區(qū)分配方式的缺乏靈活性，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)分配方式。動(dòng)態(tài)分配方式采用一些尋表的方式，查找能符合程序需要的空閑內(nèi)存分區(qū)。但代價(jià)是增加了系統(tǒng)運(yùn)行的開銷，而且內(nèi)存空閑表本身是一個(gè)文件，必然會(huì)占用一部分寶貴的內(nèi)存資源，而且有些算法還會(huì)增加內(nèi)存碎片。

可重定位分區(qū)分配通過對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)成定位，從而可以將內(nèi)存塊進(jìn)行搬移，將小塊拼成大塊，將小空閑“緊湊”成大空閑，騰出較大的內(nèi)存以容納新的程序進(jìn)程。

基本分頁存儲(chǔ)管理方式

連續(xù)分配方式會(huì)形成許多“碎片”，雖然可以通過“緊湊”方式將許多碎片拼接成可用的大塊空間，但須為之付出很大開銷。所以提出了“離散分配方式”的想法。如果離散分配的基本單位是頁，則稱為分頁管理方式；如果離散分配的基本單位是段，則稱為分段管理方式。

分頁存儲(chǔ)管理是將一個(gè)進(jìn)程的邏輯地址空間分成若干個(gè)大小相等的片，稱為頁面或頁，并為各頁加以編號(hào)，從0開始，如第0頁、第1頁等。相應(yīng)地，也把內(nèi)存空間分成與頁面相同大小的若干個(gè)存儲(chǔ)塊，稱為(物理)塊或頁框(frame)，也同樣為它們加以編號(hào)，如0#塊、1#塊等等。在為進(jìn)程分配內(nèi)存時(shí)，以塊為單位將進(jìn)程中的若干個(gè)頁分別裝入到多個(gè)可以不相鄰接的物理塊中。由于進(jìn)程的最后一頁經(jīng)常裝不滿一塊而形成了不可利用的碎片，稱之為“頁內(nèi)碎片”。

在分頁系統(tǒng)中，允許將進(jìn)程的各個(gè)頁離散地存儲(chǔ)在內(nèi)存不同的物理塊中，但系統(tǒng)應(yīng)能保證進(jìn)程的正確運(yùn)行，即能在內(nèi)存中找到每個(gè)頁面所對(duì)應(yīng)的物理塊。為此，系統(tǒng)又為每個(gè)進(jìn)程建立了一張頁面映像表，簡(jiǎn)稱頁表。在進(jìn)程地址空間內(nèi)的所有頁，依次在頁表中有一頁表項(xiàng)，其中記錄了相應(yīng)頁在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。在配置了頁表后，進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，通過查找該表，即可找到每頁在內(nèi)存中的物理塊號(hào)。可見，頁表的作用是實(shí)現(xiàn)從頁號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。

為了能夠?qū)⒂脩舻刂房臻g中的邏輯地址，變換為內(nèi)存空間中的物理地址，在系統(tǒng)中必須設(shè)置地址變換機(jī)構(gòu)。地址變換任務(wù)是借助于頁表來完成的。

頁表的功能可由一組專門的寄存器來實(shí)現(xiàn)。由于寄存器成本較高，且大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的頁表又很大，使頁表項(xiàng)總數(shù)可達(dá)幾千甚至幾十萬個(gè)，顯然這些頁表項(xiàng)不可能都用寄存器來實(shí)現(xiàn)，因此，頁表大多駐留在內(nèi)存中。因?yàn)?span style="color:#006600">一個(gè)進(jìn)程可以通過它的PCB來時(shí)時(shí)保存自己的狀態(tài)，等到CPU要處理它的時(shí)候才將PCB交給寄存器，所以，系統(tǒng)中雖然可以運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，但也只需要一個(gè)頁表寄存器就可以了。

由于頁表是存放在內(nèi)存中的，這使得CPU在每存取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，都要兩次訪問內(nèi)存。為了提高地址變換速度，在地址變化機(jī)構(gòu)中增設(shè)了一個(gè)具有并行查詢能力的告訴緩沖寄存器，又稱為“聯(lián)想寄存器”（Associative Lookaside Buffer）。

在單級(jí)頁表的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)非常大的邏輯地址空間，出現(xiàn)了兩級(jí)和多級(jí)頁表，但是，他們的原理和單級(jí)頁表是一樣的，只不過為了適應(yīng)地址變換層次的增加，需要在地址變換機(jī)構(gòu)中增設(shè)外層的頁表寄存器。

基本分段存儲(chǔ)管理方式

分段存儲(chǔ)管理方式的目的，主要是為了滿足用戶（程序員）在編程和使用上多方面的要求，其中有些要求是其他幾種存儲(chǔ)管理方式所難以滿足的。因此，這種存儲(chǔ)管理方式已成為當(dāng)今所有存儲(chǔ)管理方式的基礎(chǔ)。

（1）方便編程；

（2）信息共享：分頁系統(tǒng)中的“頁”只是存放信息的物理單位（塊），并無完整的意義，不便于實(shí)現(xiàn)共享；然而段卻是信息的邏輯單位。由此可知，為了實(shí)現(xiàn)段的共享，希望存儲(chǔ)器管理能與用戶程序分段的組織方式相適應(yīng)。

（3）信息保護(hù)；

（4）動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)；

（5）動(dòng)態(tài)鏈接。

分段管理方式和分頁管理方式在實(shí)現(xiàn)思路上是很相似的，只不過他們的基本單位不同。分段有段表，也有地址變換機(jī)構(gòu)，為了提高檢索速度，同樣增設(shè)聯(lián)想寄存器。所以有些具體細(xì)節(jié)在這個(gè)不再贅述。

分頁和分段的主要區(qū)別：

1、兩者相似之處：兩者都采用離散分配方式，且都要通過地址映射機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)地址變換。

2、兩者不同之處：

（1）頁是信息的物理單位，分頁是為實(shí)現(xiàn)離散分配方式，以消減內(nèi)存的外零頭，提高內(nèi)存的利用率。或者說，分頁僅僅是由于系統(tǒng)管理的需要而不是 ? ? ?用戶的需要。段則是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對(duì)完整的信息。分段的目的是為了能更好地滿足用戶的需要。

（2）頁的大小固定且由系統(tǒng)決定，而段的長(zhǎng)度卻不固定。

（3）分頁的作業(yè)地址空間是一維的，即單一的線性地址空間；而分段的作業(yè)地址空間則是二維的。

段頁式存儲(chǔ)管理方式

前面所介紹的分頁和分段存儲(chǔ)管理方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)。分頁系統(tǒng)能有效地提高內(nèi)存利用率，而分段系統(tǒng)則能很好地滿足用戶需求。我們希望能夠把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，于是出現(xiàn)了段頁式存儲(chǔ)管理方式。

段頁式系統(tǒng)的基本原理，是分段和分頁原理的結(jié)合，即先將用戶程序分成若干個(gè)段，再把每個(gè)段分成若干個(gè)頁，并為每一個(gè)段賦予一個(gè)段名。在段頁式系統(tǒng)中，地址結(jié)構(gòu)由段號(hào)、段內(nèi)頁號(hào)和頁內(nèi)地址三部分所組成。

和前兩種存儲(chǔ)管理方式相同，段頁式存儲(chǔ)管理方式同樣需要增設(shè)聯(lián)想寄存器。

離散分配方式基于將一個(gè)進(jìn)程直接分散地分配到許多不相鄰的分區(qū)中的思想，分為分頁式存儲(chǔ)管理，分段存儲(chǔ)管理和段頁式存儲(chǔ)管理. 分頁式存儲(chǔ)管理旨在提高內(nèi)存利用率，滿足系統(tǒng)管理的需要，分段式存儲(chǔ)管理則旨在滿足用戶(程序員)的需要，在實(shí)現(xiàn)共享和保護(hù)方面優(yōu)于分頁式存儲(chǔ)管理，而段頁式存儲(chǔ)管理則是將兩者結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，即具有分段系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)，可共享，易于保護(hù)，可動(dòng)態(tài)鏈接等優(yōu)點(diǎn)，又能像分頁系統(tǒng)那樣很好的解決外部碎片的問題，以及為各個(gè)分段可離散分配內(nèi)存等問題，顯然是一種比較有效的存儲(chǔ)管理方式。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统内存管理之 内部碎片vs外部碎片的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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