操作系统中的内存管理

1.虚拟内存

虚拟内存是多进程系统的基础，操作系统为每个进程分配虚拟地址，以32位系统为例，每个进程都认为自己有4G的内存，但实际上进程操作虚拟地址时会用过CPU的MMU(memory manage unit)映射成物理地址。虚拟地址最终怎么落到物理内存里，对进程来说是透明的。

2.映射方法

2.1分段机制
管理虚拟地址和物理地址之间的关系主要有内存分段和内存分页

内存分段是按照若干个逻辑分段组成的，例如代码分段，数据分段，栈段，堆段组成。

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，
段选择子和段内偏移量，
通过段选择子中的段号来检索段表中存放的段基地址，段的界限和特权级。
段内偏移量应该位于0和段界限之间。

分段机制的缺点
1.内存碎片
2.内存交换效率低

内存碎片分为
内部碎片和外部碎片
内部碎片是由于所有内存都被装在到了物理内存，但是部分内存并不常用，导致内存的浪费。
外部碎片是由于段和段之间会有不连续的小物理内存，解决办法是进行内存交换。

内存交换效率低是因为内存交换时是将整个段写入磁盘上，再把整个段写回物理内存。

2.2分页机制
分页机制是把整个虚拟和物理内存空间切成固定的大小。这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，叫做页。
在Linux下，每一页的大小为4KB。

虚拟地址和物理地址之间通过页表来映射。
也是通过CPU中的MMU来找出实际要访问的物理内存地址。

当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入内核空间分配物理内存，更新页表，再返回用户空间，恢复运行。

由于操作单位是固定的大小，所以不会产生外部内存碎片。
如果内存空间不足，操作系统会把[最近没被使用]的页暂时写在磁盘上，需要的时候再加载进来。由于页比较小，所以交换的效率就相对比较高了。
内存分页的缺点:由于每个进程都有4M的页表，如果100个进程就需要400M的内存来储存页表。

2.2.1多级页表
由于页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表需要一百多万个页表项来映射，而二级分页只需要1024个页表项。（二级页表是需要时才会创建
一级页表分为1024个页表
二级分页分为1024个页表项

在64位系统，理论上可寻址到2^64字节的内存，即16EB（16000PB）,但实际虚拟地址空间为 128 TB,所以二级分页不够,需要四级分页。

3.分段分页机制优化（TLB）

多级页表解决了空间浪费的问题，但是虚拟地址转换为物理地址多了几道转换的工序，但我们可以利用局部性原理，把最常访问的页表项存储到访问速度更快的硬件中，CPU中的TLB（translation lookaside buffer）专门存放常用的页表项。如果TLB没找到页表项，才会查常规的页表。