1 内存管理的内容
内存管理的内容有： 内存空间的分配与回收、内存空间的扩充、地址转换、存储保护。
内存空间的分配与回收主要是为了解决以下问题：
(1) 操作系统如何为进程分配空间。
(2) 对内存空间的管理，如哪些空间已经被分配，哪些空间还空闲。
(3) 进程结束后如何将进程内存空间回收的问题。
内存扩展主要是为了解决下面问题：
如果一个软件的运行内存超过了物理内存，即无法将软件运行需要全部数据全部放入内存，这时操作系统怎么处理？
地址转换是为了解决：操作系统怎么实现逻辑地址与物理地址的转换。
逻辑地址到物理地址的转换称为地址重定位。之前已经说过，有三种方式：绝对装入、静态重定位和动态重定位。
内存保护是为了解决：进程并发执行前进，如何保证各个进程在各自的存储空间内运行，互不干扰。
2 内存保护
内存保护是保证各个进程在自己的内存空间内运行，不会越界访问。
内存保护有两种方式：设置上下限寄存器、重定位寄存器和界地址寄存器判断
2.1 设置上下限寄存器
在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。
如下，假设进程1的逻辑地址空间为0-179，实际物理地址为100-279，如果进程想要访问的地址超过这个范围时，访问会被阻止。
2.2 重定位寄存器+界地址寄存器
采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。
如果CPU想访问一个逻辑地址，先和界地址寄存器的值比较，如果比界地址寄存器的值大，则抛越界异常，如果没有越界，则与重定位寄存器中的起始物理地址相加，判断是否越界。
以进程1为例，物理地址100~279，所以重定位寄存器值100，界地址寄存器值179，当进程1要访问逻辑地址为80的内存空间时，因为80 < 179，所以第一个判断没有抛异常；然后在和重定位寄存器的值相加得到真实访问的物理地址为180 < 279，所以允许访问 。
3 内存空间扩充
内存空间的扩充是为了让那些大小超过了物理内存总和的程序运行。
内存空间扩充有两种方式：覆盖技术和交换技术。
3.1 覆盖技术
覆盖技术的思想：将程序分为多个段（模块），常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调用内存。
内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。
需要常驻内存的段放在固定区中，调入后在运行结束前就不再调出。不常用的段放在覆盖区，需要用到的时候调入内存，用不到时调出内存。
必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。
缺点：对用户不透明，增加了编程的难度。覆盖技术只用于早期的操作系统。
3.2 交换技术
交换技术的设计思想：当内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已经具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间的调度——中级调度）。
问题一：被换出的进程保存在磁盘（外存）的什么位置？
具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为 文件区和 对换区两个部分。文件区主要用于存放文件，主要 追求存储空间利用率，因此对文件区空间管理采用 离散分配方式；对换区空间只占磁盘空间的一小部分， 被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入和换出速度，因此通常对换区采用 连续分配方式。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
问题二：什么时候应该交换？
交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。
问题三：应该换出哪些进程？
优先考虑换出阻塞进程、优先级低的进程。为了防止优先级进程被调入内存后很快又被换出，所以需要考虑进程在内存中的驻留时间。
注：PCB会常驻内存，不会被换出外存。PCB中保存着进程在外存中位置等。
4 内存空间的分配与回收
内存空间的分配分为连续分配和不连续分配。这里只说连续分配。
连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。
4.1 单一连续分配
在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关的数据；用户区用于存放用户进程相关数据。
内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。
优点：实现简单，无外部碎片。
缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统，有内部碎片，存储器利用率极低。
内部碎片：分配给某进程的内存区域中，如果有些区域没有用上，就是“内部碎片”。
外部碎片：指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。
4.2 固定分区分配
多道程序的系统的出现，为了能在内存中载入多道程序，将用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业。
固定分区分配分为：分区大小相等和分区大小不等。
分区大小相等：缺乏灵活性，但是适用于用一台计算机控制多个相同对象的场合。
分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求，可以根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分。
如何管理这些分区
如何管理这些分区——分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按分区的大小排列。每个表项包括对应分区的大小，起始地址、状态。
当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，从中找到一个满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改为已分配。
优点：无外部碎片，实现简单。
缺点：(1) 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能。(2) 会产生内部碎片，内存利用率低。
4.3 动态分区分配
动态分区分配又称可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小恰好适合进程的需要。
假设某计算机内存大小为64MB，系统区8MB，用户区56MB….
系统用什么样的数据结构记录内存使用情况？——空闲分区表或空闲分区链
当一个新的进程进入内存时，须按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表（或空闲分区链）中选出一个分区分配给该进程。有四种动态分区分配算法
4.3.1 首次适应算法
算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。
实现：空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到第一个空闲分区。
4.3.2 最佳适应算法
算法思想：由于动态分区是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续一整片区域。因此为了保证当大进程到来时有连续的大片空间，可以尽可能多的留下大片的空闲去，即优先使用更小的空间。
实现：空闲分区按容量递增次序排序。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足的第一个空闲分区。
缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小的、难以利用的内存块。因此这种方法会产生很多的外部碎片。每次有新的进程分配空间后，由于要维持内存空间从小到大的顺序，所以需要调整空闲数据表或空闲数据链的结构。
4.3.3 最坏适应算法
算法思想：为了解决最佳适应算法的问题——有太多外部碎片，可以在每次分配时使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余空闲区不会太小。
实现：空闲分区按容量递减次序链接。每次分配空间时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
缺点：每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的空闲去更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲去被迅速使用完。如果之后又有大进程达到，就没有内存分区可用了。
4.3.4 临近适应算法
算法思想：首次使用算法每次都从链头开始查找。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分区都要经过这些分区，因此也增大了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
实现：空闲分区以地址递增的顺序排序，可排成一个循环链表。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
首次适应算法每次都要从头查找，每次都需要检索低地址的小分区，但是这种规则也决定了当低地址部分有更小的分区可以满足要求时，会更有可能用到低地址的小分区，也有可能把高地址部分的大分区保留下来（最佳适应算法的优点。）
邻近适应算法的规则可能会导致无论是低地址、高地址部分空闲分区都有相同的概率被使用，也就导致了高地址部分的大分区更有可能被使用，划分为小分区，最后导致无大分区可用（最大适应算法的缺点）。
综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好。
4.4 内存空间的回收
内存空间回收比较简单，如果回收内存后，回收区前后可以合并的化，就将两个或两个以上的空闲去合并为一个即可。
以空闲分区表为例
如果进程4被回收，那么就将那进程4占用的内存和前后的空闲区合并为一个空闲区即可。
同理，如果回收进程的前后没有空闲区，那么在空闲表中增加一个分区即可。
5 小结
