【面试题】操作系统内存管理

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1. 操作系统的内存管理主要是做什么？

操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc 函数：申请内存， free 函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。

2. 操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪几种方式?

**简单分为连续分配管理⽅式和⾮连续分配管理⽅式这两种。**连续分配管理⽅式是指为⼀个⽤户程序分配⼀个连续的内存空间，常⻅的如块式管理 。同样地，⾮连续分配管理⽅式允许⼀个程序使⽤的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常⻅的如⻚式管理 和 段式管理：

1. 块式管理 ： 远古时代的计算机操系统的内存管理⽅式。将内存分为⼏个固定⼤⼩的块，每个块中只包含⼀个进程。如果程序运⾏需要内存的话，操作系统就分配给它⼀块，如果程序运⾏只需要很⼩的空间话，分配的这块内存很⼤⼀部分⼏乎被浪费了。这些在每个块中未被利⽤的空间，我们称之为碎⽚。
2. 页式管理 ：把主存分为⼤⼩相等且固定的⼀⻚⼀⻚的形式，⻚较⼩，相对相⽐于块式管理的划分⼒度更⼤，提⾼了内存利⽤率，减少了碎⽚。⻚式管理通过⻚表对应逻辑地址和物理地址。
3. 段式管理 ： ⻚式管理虽然提⾼了内存利⽤率，但是⻚式管理其中的⻚实际并⽆任何实际意义。段式管理把主存分为⼀段段的，每⼀段的空间⼜要⽐⼀⻚的空间⼩很多 。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了⼀组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、⼦程序段 X、数据段 D及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。

最后还有一个很重要的段页式管理：段⻚式管理机制结合了段式管理和⻚式管理的优点。简单来说段⻚式管理机制就是把主存先分成若⼲段，每个段⼜分成若⼲⻚，也就是说 段⻚式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。

3. 快表和多级页表

快表

**为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在页表方案基础之上引入了快表来加速虚拟地址到物理地址的转换。**我们可以把快表理解为一种特殊的高速缓冲存储器(Cache) ，其中的内容是页表的一部分或者全部内容。作为页表的Cache， 它的作用与页表相似，但是提高了访问速率。由于采用页表做地址转换，读写内存数据时CPU要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存,这样可加速查找并提高指令执行速度。

使用快表之后的地址转换流程是这样的:

1. 根据虚拟地址中的页号查快表;
2. 如果该页在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址;
3. 如果该页不在快表中，就访问内存中的页表，再从页表中得到物理地址，同时将页表中的该映射表项添加到快表中;
4. 当快表填满后， 又要登记新页时，就按照一-定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个页。

看完了之后你会发现快表和我们平时经常在我们开发的系统使用的缓存(比如Redis) 很像，的确是这样的，操作系统中的很多思想、很多经典的算法，你都可以在我们日常开发使用的各种工具或者框架中找到它们的影子。

多级页表

引入多级页表的主要目的是为了避免把全部页表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需
要的页表就不需要保留在内存中，多级页表属于时间换空间的典型场景。

总结

为了提高内存的空间性能，提出了多级页表的概念;但是提到空间性能是以浪费时间性能为基础的，因
此为了补充损失的时间性能，提出了快表(即TLB) 的概念。不论是快表还是多级页表实际上都利用到了程序的局部性原理。

4. 分页机制和分段机制有哪些共同点和区别呢?

1. 共同点:
   • 分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，较少内存碎片。
   • 页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个页和段中的内存是连续的。
2. 区别:
   • 页的大小是固定的，由操作系统决定;而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。
   • 分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。
   • 分页是一维地址空间，分段是二维的。

5. 解释一下逻辑(虚拟)地址和物理地址

我们编程一般只有 可能和逻辑地址打交道， 比如在C语言中， 指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。

6. CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?

现代处理器使用的是- -种称为虚拟寻址(Virtual Addressing) 的寻址方式。使用虚拟寻址，CPU 需要
将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。实际 上完成虚拟地址转换为物理地址
转换的硬件是CPU中含有一个被称为内存管理单元(Memory Management Unit, MMU) 的硬件。

为什么要有虚拟地址空间呢？

• 没有虚拟地址空间的时候， 程序都是直接访问和操作的都是物理内存 。
• 如果直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，⽐如可能对操作系统造成伤害以及给同时运⾏多个程序造成困难。

通过虚拟地址访问内存有以下优势：

• 程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。
• 程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小时，内存管理器会将物理内存页(通常大小为4 KB) 保存到磁盘文件。数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。
• 不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。