內存管理總覽

先籠統地總結下內存管理到底是干啥的，下面這段話摘自《現代操作系統 - 第 3 版》：

內存管理的任務就是有效地管理內存，即記錄哪些內存是正確使用的，哪些內存是空閑的，在進程需要時為其分配內存，在進程使用完后釋放內存。

眾所周知，當前計算機都是基于馮·偌依曼存儲程序式的計算機，程序和數據在運行和使用時都需要存放在內存中。

設計操作系統的重要目標之一就是提高計算機資源的利用率，而隨著多核 CPU 的盛行，多道程序設計技術大行其道。因此，必須合理地管理內存空間，使盡量多的進程/作業能夠同時存放于內存中以提高 CPU 的利用率。

通俗來說，內存管理所研究的內容無外乎以下這三個方面：

取Fetch

放Placement

替換Replacement

所謂 “取” 研究的就是，應該將哪個進程（或進程的某些部分）從外存（磁盤）調入內存。

“放” 研究的則是，將從外存（磁盤）中 “取” 來的進程（或進程的某部分）按照何種方式放在內存的什么地方。

很顯然，“放” 是內存管理的基礎，目前 “放” 的技術可歸結成兩類：

1）一類是連續分配，即運行的程序和數據必須放在內存的一片連續空間中。

連續分配管理方式包括單一連續分配、固定分區分配和動態分區分配。

2）另一類是不連續分配，即運行的程序和數據可以放在內存的多個不相鄰的塊中。

不連續分配管理方式包括基本分頁管理、基本分段管理和基本段頁式管理。

看到這里，各位不妨想一想，如果只有 “取” 操作和 “放” 操作，那么會導致什么問題？

隨著用戶程序功能的增加，進程所需要的內存空間越來越大，進程空間很容易就突破了物理內存的實際大小，導致進程無法運行。

因此，為了解決內存不足的情況，緩和大程序與小內存之間的矛盾，擴充內存容量勢在必行。

可以從物理和邏輯兩方面來考慮擴充內存容量，物理擴容沒啥技術含量，需要我們研究的自然是如何從邏輯上擴充內存容量。

所謂邏輯擴充，就是說實際上物理內存的容量沒有發生改變，但是它能裝的東西卻變多了。

對內存的邏輯擴充技術主要有三種：覆蓋技術、交換技術、以及虛擬內存。事實上，這些邏輯擴充技術的核心理念都是一致的，我覺得用一個詞來總結就是 “替換”：

所謂 “替換” 和 “取” 操作正好相反，它研究的是將哪個進程（或進程的某部分）暫時從內存移到外存（磁盤），以騰出內存空間供其他進程（或進程的某部分）占用。

前兩種邏輯擴充技術已經成為歷史，虛擬內存技術是目前的主流。所以也有很多人把內存管理這塊的內容直接區分為物理內存管理和虛擬內存管理，一目了然。

對于虛擬內存的管理是建立在不連續分配管理方式之上的，包括請求分頁管理、請求分段管理和請求段頁式管理。這幾個概念和上文所說的基本分頁管理、基本分段管理和基本段頁式管理非常容易混淆。

其實很容易區分，記住這句話就 OK，摘自百度百科：

如果不具備頁面置換的功能，則稱為基本分頁管理（或稱為純分頁管理），它不具有支持實現虛擬內存的功能，它要求把每個作業（進程）全部裝入內存后方能運行。

內存管理整部分總覽如上，而本文，內存管理第一部曲，講的僅是物理內存管理這塊。

連續分配管理方式

其實在早期的操作系統中，采用的都是連續內存空間分配的策略。那時還沒有引入進程概念，內存分配還是以作業（相當于進程）為單位，而所謂連續分配呢就是將作業分配到一段連續的內存空間。

連續分配管理并非本文的重點，面試中更是冷門，但事實上，這些方法對任何形式的內存空間分配都具有參考意義。因此，還是有必要做個簡單的了解。

連續分配管理方式包括單一連續分配、固定分區分配和動態分區分配。

單一連續分配

在沒有操作系統的時期，勿容置疑，整個內存空間由單個用戶使用。而隨著操作系統的出現，內存管理也隨之出現了，用戶再無法獨占內存資源。

當時的內存管理十分簡單，僅將內存空間分成兩塊：系統區（用于存放操作系統相關數據）和用戶區（用于存放用戶進程相關數據）。

操作系統可以在低地址部分，也可以在高地址部分，假設操作系統在低地址部分，如圖所示：

單一連續分配的管理方式確實有點過于簡單了，內存中只能有一道用戶程序，用戶程序獨占整個用戶區空間。

缺點自然是顯而易見：只能用于單用戶、單任務的操作系統中；有內部碎片（分配給某進程的內存區域 中，如果有些部分沒有用上，就是“內部碎片”）；內存利用率極低。

固定分區分配

20 世紀 60 年代出現了支持多道程序的系統，為了能在內存中裝入多道程序，且這些程序之間又不會相互干擾， 于是考慮將整個用戶空間劃分為若干個固定大小的分區，在每個分區中只裝入一道作業，這樣就形成了最早的、最簡單的一種可運行多道程序的內存管理方式。

至于這些分區大小是否需要相等，各有各的適用場景：

分區大小相等：缺乏靈活性。但是適合用于一臺計算機控制多個相同對象的場合（比如鋼鐵廠有 n 個相同的煉鋼爐，就可以把內存空間分為 n 個大小相等的區域存放 n 個煉鋼控制程序）

分區大小不等：增加了靈活性，可以滿足不同大小的進程需求

遺憾的是，雖然固定分區分配的方式支持了多道程序，但是仍然會產生內部碎片，內存利用率依然比較低。為此，人們又引入了動態分區分配，這種方法對用戶區域實施動態分割，從而改善了內存空間的利用效果。

動態分區分配

動態分區分配又稱為可變分區分配。這種分配方式不會預先劃分內存分區，而是在進程裝入內存時， 根據進程的大小動態地建立分區，并使分區的大小正好適合進程的需要。因此系統分區的大小和數目是可變的。

動態分區分配比較復雜，需要用特殊的數據結構記錄內存的使用情況，具體的細節這里就不再詳細介紹了。

非連續分配管理方式

可以看出來，連續的內存分配具有易理解、訪問效率高等優點。但是，由于其要求把作業（進程）放在內存的一片連續區域中，很容易出現大段的連續內存空間因為不足夠容納作業或進程而不可用。因此，為了充分利用內存空間資源而引入了非連續分配策略。

所謂非連續分配就是說作業（進程）可以放在內存的多個不相鄰的塊中。

非連續分配管理方式包括頁式管理、段式管理和段頁式管理。

在閱讀本段之前，需要先了解虛擬地址（邏輯地址）與物理地址的概念，可以參考這篇文章：你看到的所有地址都不是真的

基本分頁管理

所謂頁式管理，我們需要先解釋一下什么是 “頁”？

首先，將內存空間分為一個個大小相等的分區，每個分區就稱為一個 “頁框（page frame）”。每個頁框有一個編號，即“頁框號”（也成為物理頁框號、內存塊號），頁框號從 0 開 始 。

將進程的虛擬地址空間也分為與頁框大小相等的一個個分區， 每個分區就稱為一個 “頁（page）” 或 “頁面” 。每個頁面也有一個編號， 即“頁號”（也稱為虛擬頁號），頁號也是從 0 開始。

操作系統以頁框為單位為各個進程分配內存空間。進程的每個頁面分別放入一個頁框中。也就是說，進程的頁面與內存的頁框有一一對應的關系。各個頁面不必連續存放，可以放到不相鄰（離散）的各個頁框中。

舉個例子，每個頁面和頁框的大小都是 4KB，我們擁有 64KB 的虛擬地址空間和 32KB 的物理內存，因此可以得到 16 個頁面和 8 個頁框：

前文說過，指令真正執行的時候會將虛擬地址最終轉換為物理地址。

那么，頁式管理中是如何將虛擬地址（頁面）和物理地址（頁框）進行映射的呢？換句話說，如何根據虛擬地址計算得到物理地址？

為此，操作系統為每個進程建立了一張頁表，這是一個十分重要的數據結構！頁表通常存在進程控制塊（PCB）中。

一個進程對應一張頁表，進程的每個頁面對應一個頁表項，每個頁表項由頁號和塊號（頁框號）組成，記錄著進程頁面和實際存放的內存塊之間的映射關系。

從數學角度來說，頁表是一個函數，它的參數是虛擬頁號，結果是物理頁框號。

頁式管理中的兩個重要問題

在任何分頁式系統中，都不可避免地要考慮下面這兩個問題：

問題 1：如何保證虛擬地址到物理地址的轉換足夠快 — 使用快表解決

問題 2：如何解決虛擬地址空間大，頁表也會很大的問題（頁表項多了，頁表自然也就大了）— 使用多級頁表解決

先來看第一個問題，由于每次訪問內存，都需要進行虛擬地址到物理地址的轉換，因此，每條指令進行一兩次或更多頁表訪問是必要的，而頁表又是存在于內存中的。

那么，既然訪問頁表（內存）次數太多導致其成為了一個性能瓶頸，那我們想個方法使得這個地址映射不用訪問內存，訪問一個比內存快得多的東西不就行了？

計算機的設計者給出的解決方案大致如此，為計算機設置了一個小型的硬件設備，將虛擬地址直接映射成物理地址，而不必再訪問頁表。這個設備就是轉換檢測緩沖區（Translation Lookaside Buffer，TLB），也被稱為快表。

為啥說他快呢？因為 TLB 通常內置在 CPU 的 MMU（內存管理單元） 中，這訪問速度跟內存不是一個檔次的。內存中的頁表一般被稱為慢表。

那么，擁有了 TLB 就可以一勞永逸直接放棄頁表了嗎？

當然不。

TLB 僅僅包含少量的表項，每個表項記錄了一個頁面的相關信息

事實上，TLB 的出現是基于這樣一種現象的：大多數程序總是對少量的頁面進行多次的訪問。因此，只有很少的頁表項會被反復讀取，而其他的頁表項很少被訪問。

TLB 中存放的就是那些會被反復讀取的頁表項。換句話說，TLB 中存放的只是頁表中的一部分副本。

若 TLB 命中，就不需要再訪問內存了；若 TLB 中沒有目標頁表項，則還需要去查詢內存中的頁表（慢表），從頁表中得到物理頁框地址，同時將頁表中的該表項添加到 TLB 中。

那么問題又隨之而來了，如果 TLB 填滿了怎么辦？

當 TLB 填滿后又要登記新頁時，就會按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一個頁。

再來看第二個問題，現代大多數計算機系統，一般都支持非常大的虛擬地址空間，從而使頁表變得十分龐大且需要占用相對可觀的內存空間（頁表項多了，頁表自然也就大了）。我們假設系統中只有一個頁表，那即使我們使用的只是虛擬地址空間中的一小部分，也總是需要一整個頁表全部駐留在內存中。

用來壓縮頁表的常用方法就是使用層次結構的頁表。

以最常見的二級頁表舉例，我們來看多級頁表的處理思路：

把頁表再分頁并離散存儲，然后再建立一張頁表記錄頁表各個部分的存放位置，稱為 “頁目錄表”（或稱外層頁表、頂層頁表）。

若分為兩級頁表后，頁表依然很長，則可以對外層頁表再分頁形成三級以上的多級頁表。

多級頁表技術不但突破了頁表必須連續存放的限制，同時當有大片虛擬地址空間未使用時，可以不分配對應頁表空間，因此可節省內存。另外，多級頁表增加了訪存次數，因此外層頁表的頁表項應該盡可能保持在 TLB 中，以減少訪存開銷。

基本分段管理

頁式管理雖具有內存空間利用率高、管理方法簡單等特點，但是將內存空間按頁進行劃分對用戶來說不是很自然。用戶看待程序是以自然段為單位的，比如主程序段、子程序段、數據段等。若用戶要求對數據進行保護，那么受到保護的基本單位也是自然段。例如，某段只能讀，另一段可執行等。

而分頁完全可能把不屬于同一段的兩塊分到同一頁中。

換句話說，雖然頁式管理提高了內存利用率，但是頁式管理劃分出來的頁并無任何實際意義。

為此，段式管理應運而生。

段式系統是按照用戶作業（進程）中的自然段來劃分邏輯空間的。比如說，用戶作業（進程）由主程序、兩個子程序、棧和一段數據組成，于是可將這個用戶作業（進程）劃分成 5 段，顯然，頁面是定長的而段不是：

從圖中可以看出來，段與段之間可以不連續存儲，但是段的內部仍然是連續的。

另外，和基本分頁管理一樣，基本分段管理也需要一個數據結構來記錄虛擬地址和物理地址之間的映射，這個數據結構就是段表。

基本段頁管理

如果一個段比較大，把它整個保存在內存中可能很不方便甚至不可能的，因此對它產生了分頁的想法。

對段進行分頁的支持，這就是段頁式管理的基本思想。

簡單來說，就是對虛擬地址空間先進行段的劃分，然后在每一段內再進行頁的劃分。

原文標題：內存管理兩部曲之物理內存管理

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責任編輯：haq