内存管理

主要参考的原文

一、虚拟内存

（1）每个程序拥有自己的地址空间，被分割成多个块，每一块称为一页。

（2）这些页被映射到物理内存，但不要求所有页都要映射，也不要求映射到连续的物理内存。

（3）当程序引用到不在物理内存中的地址空间时，马上映射到物理内存，然后重新执行指令。

二、分页与分段

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1. 分页

虚拟地址空间划分成等长固定大小的页，在物理内存中对应的单元称为页框。
页和页框大小通常相同，它们之间通过页表进行映射。

程序最开始只将一部分页调入页框中，当程序引用到没有在页框的页时，产生缺页中断，进行页面置换，按一定的原则将一部分页框换出，并将页调入。

2. 分段

分页方式的缺点是页长与程序的逻辑大小不相关。

分段：
段长可变，例如 int 类型对象，char 类型对象就可以划分到不同的段。
虚拟地址到内存地址的变换通过段表来映射，虚拟地址由段号和段内地址组成。

缺点： 容易在段间留下许多碎片，造成存储空间利用率降低。

3. 段页式

（1）用分段来分配和管理虚拟内存
程序的地址空间按逻辑单位分成基本独立的段，而每一段有自己的段名。
然后把每段分成若干页。

（2）用分页来分配和管理物理内存
把整个内存分成与上述页大小相等的存储块，可装入作业的任何一页。

（3）程序对内存的调入或调出是按页进行的，但它又可按段实现共享和保护。

（4）举个栗子。
程序员想创建两个对象，一个是 int 型（4 字节），另一个是 char 型（1 字节）。于是他使用这样的语句char s; int a;，对程序员来说，这是分段，大小由自己指定。而对于计算机内存来说，由于 char 类型对象占的内存更小，则必须把内存分成一个个都是 1 字节的页，这是分页，大小固定。然后把 s 放入一页，再把 a 放入四页。

三、分页系统地址映射

• MMU：内存管理单元，管理虚拟地址空间到物理内存的映射。
• 页表：Page Table，页到页框的映射。（页是虚拟地址空间的概念，页框是物理内存的概念）。

分页系统地址映射

1. 图中 Page Table 分为三部分，拿第 0 个表项（0-010-1）为例。
   最左边的 0 表示页面号（虚拟地址空间概念），中间的 010 表示页框号，即第 2 个页框（物理内存概念），最右边的 1 表示页已经放入内存。

2. 图中有 16 条表项，需要用 4 个比特位来进行索引定位。
   因此对于虚拟地址（0010-000000000100），前 4 位是用来存储页面号，而后 12 位存储在页中的偏移量。

3. （0010-000000000100）根据前 4 位得到页号为 2，读取表项内容为（110-1）。
   它的前 3 为为页框号，最后 1 位表示该页在内存中。最后映射得到物理内存地址为（110 000000000100）。

4. 所以对于一个虚拟地址，把前面要索引定号的 n 位换成页表中的对应页框就转换好了。

四、页面置换算法

在程序运行过程中，如果要访问的页面不在内存中，就发生缺页中断从而将该页调入内存中。
此时如果内存已无空闲空间，系统必须从内存中调出页面到磁盘对换区中来腾出空间。

页面置换算法的主要目标是使页面置换频率最低（缺页率最低）。

1. 最佳（Optimal）

所选择的被换出的页面将是最长时间内不再被访问，通常可以保证获得最低的缺页率。

是一种理论上的算法，因为无法知道一个页面多长时间不再被访问。

举例：一个系统为某进程分配了三个物理块，并有如下页面引用序列：1234321

开始运行时，先将 1、2、3 三个页面装入内存。
当进程要访问页面 4 时，产生缺页中断。
这时会将页面 1 换出，因为页面 1 再次被访问的时间最长。

2. 先进先出（FIFO）

会将经常被访问的页面也被换出，导致缺页率升高。

3. 最近最久未使用（LRU）

Least Recently Used
虽然无法知道将来要使用的页面情况，但是可以知道过去使用页面的情况。

可以用栈来实现该算法，栈中存储页面的页面号。当进程访问一个页面时，将该页面的页面号从栈移除，并将它压入栈顶。这样，最近被访问的页面总是在栈顶，而最近最久未使用的页面总是在栈底。

4. 时钟（Clock）

我不懂！原文如下：
需要用到一个访问位，当一个页面被访问时，将访问位置为 1。

首先，将内存中的所有页面链接成一个循环队列，当缺页中断发生时，检查当前指针所指向页面的访问位，如果访问位为 0，就将该页面换出；否则将该页的访问位设置为 0，给该页面第二次的机会，移动指针继续检查。

时钟