> 清华大学 陈渝老师 操作系统教程

三、内存

计算机体系结构及内存分层体系

• 计算机体系结构
• CPU：程序/软件执行的控制
• 内存：放置程序的代码及其处理的数据
• 设备
• eg.鼠标、键盘
• 内存分层体系
• 主存（物理内存）：放置操作系统本身以及需要运行的代码
• 磁盘（虚拟内存）：放置永久存放的数据
• 在操作系统的内存管理范例
• 操作系统中管理内存的4个目标
• 抽象
• 逻辑地址空间
• 保护
• 独立地址空间
• 共享
• 访问相同内存
• 虚拟化
• 更多的地址空间
• 操作系统中管理内存的不同方法
• 程序重定位
• 分段
• 分页
• 虚拟内存
• 按需分页虚拟内存
• 实现高度依赖于硬件
• 必须知道内存架构
• MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

地址空间和地址生成

• 地址空间定义
• 物理地址空间
• 硬盘支持的地址空间
• 逻辑地址空间
• 一个运行的程序所拥有的内存范围
• 地址生成
• 逻辑地址生成
• eg.在C程序里，函数的位置、变量的名字就是一种逻辑地址
• .o 文件的地址从0开始
• 物理地址生成
• CPU方面
• 运算器需要在逻辑地址的内存内容
• 内存管理单元寻找在逻辑地址和物理地址之间的映射
• 控制器从总线发送在物理地址的内存内容的请求
• 内存方面
• 内存发送物理地址内存的内容给CPU
• 操作系统方面
• 建立逻辑地址和物理地址之间的映射
• 地址安全检查
• 操作系统需要确保每个程序可以有效访问的地址空间
• 起始地址
• 地址长度

连续内存分配

• 内存碎片问题
• 空闲内存不能被利用
• 外部碎片
• 在分配单元间的未使用内存
• 内部碎片
• 在分配单元中的未使用内存
• 分区的动态分配
• 简单的内存管理方法
• 当一个程序准许运行在内存中，分配一个连续的区间
• 分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据
• 分配策略
• 首次适配
• 为了分配n字节，使用第一个可用空闲块以致块的尺寸比n大
• 基本原理和实现
• 简单实现
• 需求
• 按地址排序的空间块列表
• 分配需要寻找一个合适的分区
• 重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区
• 优势
• 简单
• 易产生更大的空闲块，向着地址空间的结尾
• 劣势
• 易产生外碎片
• 不确定性
• 最佳适配
• 为了分配n字节，使用最小可用空闲块以致块的尺寸比n大
• 基本原理和实现
• 为了避免分割大空闲块
• 为了最小化外部碎片产生的尺寸
• 需求
• 按尺寸排列的空闲块列表
• 分配需要寻找一个合适的分区
• 重分配需要搜索及合并于相邻的空闲分区
• 优势
• 当大部分分配是小尺寸时非常有效
• 比较简单
• 劣势
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易产生很多没用的微小碎片
• 最差适配
• 为了分配n字节，使用最大可用空闲块以致块的尺寸比n大
• 基本原理和实现
• 为了避免又太多微小的碎片
• 需求
• 按尺寸排列的空闲块列表
• 分配很快（获得最大分区）
• 重分配需要搜索及合并于相邻的空闲分区，若有，然后调整空闲块列表
• 优势
• 假如分配是中等尺寸效果最好
• 劣势
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易于破碎大的空闲块以致大分区无法被分配
• 压缩式碎片整理
• 重置程序以合并孔洞
• 要求所有程序时动态可重置的
• 问题
• 何时重置
• 不能再程序运行时进行
• 开销
• 频繁进行此操作开销很大
• 交换式碎片整理
• 运行程序需要更多的内存
• 抢占等待的程序和回收它们的内存