操作系统内存管理知识

什么是内存管理？总的来说系统内存管理包括物理内存管理和虚拟内存管理。这里给大家分享一些关于操作系统内存管理知识，希望对大家能有所帮助。

物理内存管理概述:

操作系统负责内存空间的分配与回收

内存空间的扩展：操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充

操作系统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

操作系统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

内存空间的扩展:

覆盖技术: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。

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)

于操作系统内存管理知识，希望对大家能有所帮助。

非连续分配管理方式

连续分配：为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

非连续分配：为用户进程分配的可以是一些分散的内存空间。

什么是分页存储：

将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如：每个分区4KB)，每个分区就是一个“页框”(页框=页帧=内存块=物理 块=物理页面)。每个页框有一个编号，即“页框号”(页框 号=页帧号=内存块号=物理块号=物理页号)，页框号从0开始。

将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分， 每个部分称为一个“页”或“页面” 。每个页面也有一个编号， 即“页号”，页号也是从0开始。

操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页 框有一一对应的关系。 各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。

(注：进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。也就是 说，分页存储有可能产生内部碎片，因此页框不能太大，否则 可能产生过大的内部碎片造成浪费)

具有快表的地址变换机 构：

快表，又称联想寄存器(TLB， translation lookaside buffer )，是一种访问速度比内存快很多的高速缓存(TLB不是内存!)，用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度。 与此对应，内存中的页表常称为慢表。

引入快表后，地址的变换过程：

① CPU给出逻辑地址，由某个硬件算得页号、页内偏移量，将页号与快表中的所有页号进行比较。

② 如果找到匹配的页号，说明要访问的页表项在快表中有副本，则直接从中取出该页对应的内存块 号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此， 若快表命中，则访问某个逻辑地址仅需一次访存即可。

③ 如果没有找到匹配的页号，则需要访问内存中的页表，找到对应页表项，得到页面存放的内存块 号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此， 若快表未命中，则访问某个逻辑地址需要两次访存(注意：在找到页表项后，应同时将其存入快表， 以便后面可能的再次访问。但若快表已满，则必须按照一定的算法对旧的页表项进行替换)

局部性原理:

时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很 有可能再次执行;如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再 次被访问。(因为程序中存在大量的循环)

空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的 存储单元也很有可能被访问。(因为很多数据在内存中都是连续存放 的)

分段存储管理方式:

进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名(在低级语言 中，程序员使用段名来编程)，每段从0开始编址 内存分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻。

分段、分页管理的对比：

页是信息的物理单位。分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分页仅仅是系统管 理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的。

段是信息的逻辑单位。分段的主要目的是更好地满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名。

页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编写的程序。

分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址。

分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址。

分段比分页更容易实现信息的共享和保护。不能被修改的代码称为纯代码或可重入代码(不属于临 界资源)，这样的代码是可以共享的。可修改的代码是不能共享的。

虚拟内存管理

传统存储管理方式的特征、缺点：

一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：

①作业很大时，不能全 部装入内存，导致大作业无法运行;

②当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只 有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。

驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段 内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的 数据，浪费了宝贵的内存资源。

虚拟内存的定义和特征:

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快 会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存， 就可以让程序开始执行。

在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由 操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续 执行程序。

若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不 到的信息换出到外存。

在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际 内存大得多的内存，这就是虚拟内存

虚拟内存有三个主要特征：

多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。

对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换 入、换出。

虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

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