操作系統(tǒng)的內(nèi)存究竟是怎么一回事?

1 內(nèi)存管理的概念

內(nèi)存管理指操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的劃分和動(dòng)態(tài)分配

地址空間：
邏輯地址空間：相對(duì)地址， 從0開始編址
物理地址空間：地址轉(zhuǎn)換的最終地址

程序運(yùn)行時(shí)：
編譯：把源代碼編譯成目標(biāo)模塊
鏈接：把目標(biāo)模塊、庫(kù)函數(shù)鏈接成1個(gè)裝入模塊
鏈接屬于形成進(jìn)程邏輯地址的過程

裝入：
絕對(duì)裝入：編譯時(shí)就確定了裝入地址
可重定位裝入：根據(jù)內(nèi)存情況， 把程序裝到適當(dāng)位置
運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)裝入：運(yùn)行前才真正把程序裝起來（前面2個(gè)都是先分配，再裝，再運(yùn)行）

2 內(nèi)存防溢出機(jī)制

即怎么防止內(nèi)存越界

設(shè)置上下限寄存器：
存放內(nèi)存中該進(jìn)程的上下限地址
每次訪問時(shí)，判斷是否越界

重定位+界地址：
重定位寄存器——存放物理地址的最小地址
界地址寄存器——存放邏輯地址的最大值

先把訪問地址（相對(duì)地址） 與界地址比較是否越界
再加到重定位寄存器上，作為物理地址

min + x， 且x <max， 這樣保證地址在min到min+max之內(nèi)

3 內(nèi)存分配機(jī)制

3.1 連續(xù)分配內(nèi)存

連續(xù)分配指 為用戶程序分配的內(nèi)存空間一定是連續(xù)的

3.1.1 單一連續(xù)：

內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)2個(gè)區(qū)
每次用戶區(qū)只能放1個(gè)程序， 這樣可確保不會(huì)越界

3.1.2 固定分區(qū)分配

用戶區(qū)分成若干個(gè)大小的分區(qū)， 每個(gè)分區(qū)只能裝一個(gè)作業(yè)。
程序如果大了會(huì)裝不下
程序小了則有內(nèi)存碎片

3.1.3 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配

程序裝入內(nèi)存時(shí)，按照所需大小動(dòng)態(tài)生成1個(gè)分區(qū)。有多少碎片空間就給多少

可能會(huì)存在碎片， 比如中間的進(jìn)程結(jié)束了， 于是中間就空出來一個(gè)內(nèi)存碎片，而可能因?yàn)樘。渌M(jìn)程帆布進(jìn)來。

動(dòng)態(tài)分配策略：

• 首次適應(yīng)：從上往下找第一個(gè)滿足的分區(qū)——最簡(jiǎn)單也最好

• 最佳適應(yīng)：找一個(gè)大小差距最小的分區(qū)——最爛，碎片最多

• 最壞適應(yīng)：直接找最大的分區(qū)轉(zhuǎn)入

• 鄰近適應(yīng)：從上次查找位置開始找，而不是從第一個(gè)碎片位置開始找。——末尾碎片會(huì)很多

3.2 非連續(xù)內(nèi)存分配

非連續(xù)指進(jìn)程內(nèi)存可以 分成不同地址存放，不一定全部集中在一起。

3.2.1 分頁

把內(nèi)存劃分成固定大小的塊， 進(jìn)程以塊為單位申請(qǐng)多個(gè)不同位置的塊作為空間。

• 頁表：
  每個(gè)進(jìn)程PCB中會(huì)有一個(gè)頁面寄存器PRT， 告知頁表的起始位置和起始長(zhǎng)度
  找到頁表后， 頁面中會(huì)告知你所持有的頁號(hào)和偏移。
  通過 頁號(hào) * 塊大小 + 偏移， 可知道這段內(nèi)存的起始位置。

進(jìn)程每次想通過虛擬地址去定位物理地址時(shí)，都需要先去頁表中找到虛擬地址對(duì)應(yīng)的頁，然后再得到物理地址。

• 快表TBL（Translation Lookaside Buffer )）：
  為了避免每次都取頁表換算地址， 快表會(huì)緩存 虛擬地址->物理地址的直接映射，加快速度

• 多級(jí)頁表
  地址空間超級(jí)大， 1頁裝不下怎么辦？
  用多級(jí)
  一級(jí)頁表指明二級(jí)頁表的地址
  二級(jí)頁表再去實(shí)際地址
  這樣就可以有多頁了。

3.2.2 分段

分頁的話， 頁的長(zhǎng)度是固定的， 所以偏移量的最大值是固定的

分段的話不限制偏移量最大值，即可以很長(zhǎng)一段。

分段屬于二維地址空間， 因?yàn)樗私o出邏輯地址，還得給出段長(zhǎng)

有利于做動(dòng)態(tài)鏈接：程序動(dòng)態(tài)修改

3.2.3 段頁結(jié)合

作業(yè)先分成若干段， 再把段分頁， 每個(gè)段可以找到一個(gè)也變

段號(hào)S 頁號(hào)P 頁內(nèi)偏移

Q: 遍歷二維數(shù)組的時(shí)候, 行遍歷優(yōu)先和列遍歷優(yōu)先的效率差別, 為什么會(huì)這樣

A: 按行遍歷比按列遍歷的效率高體現(xiàn)在這些方面：

1. CPU高速緩存

2. CPU緩存從內(nèi)存中抓取一般都是整個(gè)數(shù)據(jù)塊，所以它的物理內(nèi)存是連續(xù)的，幾乎都是同行不同列的，而如果內(nèi)循環(huán)以列的方式進(jìn)行遍歷的話，將會(huì)使整個(gè)緩存塊無法被利用，而不得不從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，而從內(nèi)存讀取速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從緩存中讀取數(shù)據(jù)的。隨著數(shù)組元素越來越多，按列讀取速度也會(huì)越來越慢。

4 虛擬內(nèi)存

4.1 概念

虛擬地址可以讓進(jìn)程獲得比實(shí)際內(nèi)存要大的內(nèi)存

特征：

• 多次性——作業(yè)可分多次裝入內(nèi)存

• 對(duì)換性——可在運(yùn)行時(shí)對(duì)內(nèi)存做兌換處理

• 虛擬性——邏輯上可充分?jǐn)U充容量

要求：

必須使用非連續(xù)分配方式——分頁、分段、段頁
硬件需要支持 頁表、中斷、地址變換機(jī)構(gòu)

理論依據(jù)：

時(shí)間局部性—— 指令和數(shù)據(jù)總是會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)被連續(xù)訪問
空間局部性——某單元被訪問，那么他附件的單元也很大概率會(huì)被訪問

4.2 請(qǐng)求分頁機(jī)制

再分頁的基礎(chǔ)上， 增加了2個(gè)功能：

請(qǐng)求調(diào)頁——當(dāng)頁面不在內(nèi)存中時(shí)，從外村申請(qǐng)調(diào)入
頁面置換——把暫時(shí)不用的內(nèi)存換出去，給其他需要進(jìn)來的頁騰出空間

頁表項(xiàng)：
頁號(hào)、物理塊號(hào)
狀態(tài)位P：是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存
訪問字段A：記錄訪問次數(shù)或者訪問標(biāo)記，用于置換策略判斷
修改維 M：記錄是否被修改過
外村地址——當(dāng)頁被換出去時(shí)，指明這個(gè)頁在外存的何處

缺頁中斷機(jī)構(gòu)：當(dāng)頁面不存在時(shí)， 負(fù)責(zé)產(chǎn)生缺頁中斷，進(jìn)行頁面置換操作。

缺頁只能高端和系統(tǒng)中斷不同， 屬于指令中的操作，在執(zhí)行期產(chǎn)生多次

地址變換機(jī)構(gòu)：
1.先檢索塊表，如果能找到，則直接修改頁表項(xiàng)的訪問位。
2.塊表中沒有，則去 再檢索內(nèi)存中的頁表，通過狀態(tài)為P確認(rèn)是否在內(nèi)存中
如果不在，則產(chǎn)生缺頁中斷。

4.3 工作集概念

駐留集：指系統(tǒng)給每個(gè)進(jìn)程分配的內(nèi)存中實(shí)際頁面集合
但是可能分配了10個(gè)， 卻只有5個(gè)經(jīng)常在用

工作集：某時(shí)間段內(nèi)，這個(gè)進(jìn)程訪問和使用的頁面集合

通過工作集， 系統(tǒng)可以評(píng)估這個(gè)駐留集是否需要做刪減，以及哪些頁應(yīng)該持續(xù)保留。
這樣可以減少抖動(dòng)，即減少內(nèi)外村之間頻繁的交換頁

4.4 頁面置換算法

• 最佳置換算法：
  選未來最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被用到的頁
  這個(gè)要基于預(yù)測(cè)，比較難

• 先進(jìn)先出FIFO
  可能引發(fā)bleady異常：

較早調(diào)入的頁往往是經(jīng)常被訪問的頁，這些頁在FIFO算法下被反復(fù)調(diào)入和調(diào)出，并且有Belady現(xiàn)象。所謂Belady現(xiàn)象是指：采用FIFO算法時(shí)，如果對(duì)一個(gè)進(jìn)程未分配它所要求的全部頁面，有時(shí)就會(huì)出現(xiàn)分配的頁面數(shù)增多但缺頁率反而提高的異常現(xiàn)象。

• 最近最久未使用（LRU）
  選之前最長(zhǎng)時(shí)間沒訪問的， 引入優(yōu)先隊(duì)列（最大堆）
  需要設(shè)置訪問時(shí)間字段

• 簡(jiǎn)單時(shí)鐘clock（最近未使用NRU）
  每個(gè)頁有個(gè)標(biāo)記。
  剛換入內(nèi)存或者被訪問時(shí)，都會(huì)置1

如果需要換頁時(shí)，步驟如下：

1. 掃描圍成換的頁鏈表

2. 如果標(biāo)記為1，則改成0，繼續(xù)往下掃

3. 如果位0， 則替換，并讓指針指向下一頁。

改進(jìn)的clock
把標(biāo)記為改成 訪問位u和修改維m

• 1類(A =0, M = 0)：表示該頁面最近既未被訪問，又未被修改，是最佳淘汰頁。

• 2類(A =0, M = 1)：表示該頁面最近未被訪問，但已被修改，并不是很好的淘汰頁。

• 3類(A =1, M = 0)：表示該頁面最近已被訪問，但未被修改，該頁有可能再被訪問。

• 4類(A =1, M = 1)：表示該頁最近已被訪問且被修改，該頁可能再被訪問。

1. 先優(yōu)先找u=0和m=0的頁，有就直接替換

2. 沒有，則找 u = 0 且m=1的頁（ 沒訪問的最優(yōu)先替換）， 做替換

3. 如果中間遇到U=1的， 則都會(huì)置0， 如果m=1的也會(huì)置0

4. 如果一圈都沒有，則下一圈肯定有01或者00的。

4.5 頁面分配量策略

• 固定分配，局部替換
  每個(gè)進(jìn)程分配固定的物理塊， 且只能自己的塊之間做替換

• 可變分配，全局替換
  缺頁時(shí)，可以從全局隊(duì)列的頁替換

• 可變分配，局部置換
  自己替換自己，但是不夠的時(shí)候可以加塊

分配來源：
對(duì)換區(qū)：頻繁切換的區(qū)
文件區(qū)：補(bǔ)怎么會(huì)變動(dòng)和修改的

鏈接：https://www.cnblogs.com/huaweiyun/p/16898931.html

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