系統(tǒng)內(nèi)存管理簡介

• 系統(tǒng)內(nèi)存管理簡介
  • 常見的名詞解釋
  • 單塊內(nèi)存管理法
  • 分區(qū)管理法
  • 頁式管理法
  • 幀與頁
  • 小結(jié)

系統(tǒng)以字為單位，將內(nèi)存劃分為一個個存儲單位，每個存儲單位都有一個地址。指向地址的指針以字的大小為單位移動。目前常見的字單位為32位(4byte)或者64位(8byte)。

常見的名詞解釋

• 邏輯地址(logical address):僅對程序可見，從0開始計量
• 真實地址(physical addr):系統(tǒng)對內(nèi)存的真實地址編號
• 地址聯(lián)編(addr binding):將邏輯地址映射到真實地址

就地址聯(lián)編這一塊，不同的內(nèi)存管理方式聯(lián)編的方式也不同。邏輯與物理兩套地址的規(guī)劃，使得內(nèi)存管理有極大的自由。程序編譯階段，使用地址就是邏輯地址，當(dāng)機器碼loading進系統(tǒng)開始運行的時候，系統(tǒng)才開始地址聯(lián)編。這使得程序中地址表示是一致的，具體真實占用哪些地址，到地址聯(lián)編的決定。

單塊內(nèi)存管理法

想象這樣一種理想狀況，系統(tǒng)中除了操作系統(tǒng)（OS）只有一個APP。那么除了OS占用部分內(nèi)存，剩下的都是APP進程的內(nèi)存。

圖1 單塊內(nèi)存管理法

我們使用兩套地址管理，邏輯地址和物理地址。物理地址面向程序，從0開始計數(shù)，物理地址描述內(nèi)存的實際地址規(guī)劃。

圖1中表示的是邏輯地址+基本地址=物理地址。基本地址A加上邏輯地址L，得到真實地址。

分區(qū)管理法

單塊內(nèi)存管理中只允許單個APP運行，實際上內(nèi)存可以容納多個APP同時運行。這時候的做法是將內(nèi)存分為多個區(qū)，除了OS外，每一個APP占用一個連續(xù)、獨立的分區(qū)。

分區(qū)方式有：

• 固定分區(qū)：引導(dǎo)OS初期就固定分好區(qū)間，以后不再變
• 動態(tài)分區(qū)：根據(jù)需求動態(tài)分配區(qū)間，區(qū)間可以在內(nèi)存中移動

無論單塊內(nèi)存，還是分區(qū)內(nèi)存，同樣遵循邏輯地址和真實地址兩套管理法。每個分區(qū)都有自己的一套邏輯地址，用于內(nèi)部交流，但最終和系統(tǒng)交互的時候，都需要采用物理地址。即聯(lián)編方式，分區(qū)管理中地址信息存儲在寄存器中。基址寄存器存儲分區(qū)當(dāng)前分區(qū)的起始位置，界限寄存器存儲分區(qū)的長度。當(dāng)前進程的請求地址不可以超過分區(qū)長度。

圖2 分區(qū)內(nèi)存管理

那么分區(qū)的大小如何決定，這取決于匹配進程的方式。總共有三種方式：

• 最先匹配：驗證當(dāng)前內(nèi)存往下走，第一個符合進程需求的大小分配分區(qū)
• 最佳匹配：尋找可用容器中最小的分區(qū)
• 最差匹配：尋找最大的符合進城需求的分區(qū)

前兩者適用于固定分區(qū)，便于節(jié)省內(nèi)存。

最后一個符合動態(tài)分區(qū)，動態(tài)分配要求盡量滿足當(dāng)前需求，后期再進行調(diào)整。連續(xù)的小空分區(qū)，可以合并成一個大的空分區(qū)。并且作業(yè)也可以在內(nèi)存中移動，以空出更大的空間，成為壓縮。

最后，無論是固定分區(qū)還是動態(tài)分區(qū)，整個進程必須同時載入內(nèi)存中，一個分區(qū)必須能夠容納整個APP。這也就可以看出頁式內(nèi)存管理的優(yōu)越性，他引出了虛擬內(nèi)存的的概念。

頁式管理法

頁式管理同樣遵循邏輯地址和物理地址的概念，但是這里啟用兩個新的概念，幀面向物理地址，頁面向進程地址。

頁式管理中，將進程(Process)以頁為單位分割，同時將內(nèi)存劃分為一個個幀。頁和幀可以大小不同，為了方便起見，這里將其視為相同。

總結(jié)下來，幀描述內(nèi)存，頁描述進程。內(nèi)存加載進程的方式是通過幀載入頁。

程序面向的是頁地址，這時地址聯(lián)編需要找的是幀，這就需要一本字典，即PMT（page map table）。每一個進程都需要維護一張PMT，表中記錄每一個頁對應(yīng)的幀。

圖3 頁式內(nèi)存管理法

這樣的規(guī)劃管理上增加了復(fù)雜度，但是好處也是巨大的。

無論是單塊內(nèi)存管理還是分區(qū)管理，都需要整塊連續(xù)的內(nèi)存用來存儲進程，相比頁式管理內(nèi)存的利用率則相差太多。分區(qū)管理中，如果找不到能夠容納整個進程的連續(xù)地址，則無法載入進程。頁式管理中，內(nèi)存和頁都是一塊塊的，他們分散在各處，無需專門開辟一塊連續(xù)的空間，內(nèi)存可以見縫插針為頁分配可用的頁。

同時，分頁內(nèi)存管理的方式也引入了請求分頁和虛擬內(nèi)存的概念。請求分頁意思是，由于CPU同一時刻只需要進程的部分數(shù)據(jù)，因此就不必將整個進程都加載進內(nèi)存。當(dāng)某些頁面被需要的時候，系統(tǒng)先訪問內(nèi)存，如果該頁面不存在，則訪問二級存儲將信息加載進內(nèi)存，與此同時，新的頁面加入使得原有的頁面退出該幀的使用，該過程稱為頁面交換。

請求分頁的引入使得有時候，內(nèi)存好像無限大一樣，內(nèi)存載入的進程的總大小遠遠大于內(nèi)存大小，這種現(xiàn)象稱為虛擬內(nèi)存。

頁面交互大大提高了內(nèi)存的利用率，但是當(dāng)頁面頻繁交換的時候，交換過程占用過多的時間，使得進程顯得不穩(wěn)定，表現(xiàn)為使用不斷地卡頓，這個現(xiàn)象稱為系統(tǒng)顛簸。

幀與頁

幀就是大小固定的內(nèi)存塊，比如為1024。頁就是進程地址，表示為一個坐標<頁位置，偏移量>。系統(tǒng)中(邏輯地址/1024)的商為頁面位置，余數(shù)為偏移量。因此，頁坐標不得大于幀大小。根據(jù)頁坐標和PMT就可找到物理地址（幀地址）。這就形成了從邏輯地址到物理地址的閉環(huán)。（僅憑記憶回顧，存疑）

小結(jié)

最后總結(jié)一下頁式管理法。一個APP載入系統(tǒng)，在系統(tǒng)表現(xiàn)為進程，一個或者多個。系統(tǒng)為每一個進程分配內(nèi)存，將Process分割成頁，將內(nèi)存分割成幀。之后，根據(jù)情況為頁分配幀，同時給每一個進程維護一張PMT用于地址聯(lián)編。

參考

• 《計算機科學(xué)概論》

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/Franken-Fran/p/memory_manage.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的系统内存管理简介的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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