计算机物理内存管理之连续内存分配

前言

正文

一， 计算机体系结构和内存层次

1，计算机系统结构

计算机系统体系结构

2， 内存层次

3， 操作系统的内存管理方式

1. 操作系统中采用的内存管理方式

   1. 重定位(relocation)
   2. 分段(segmentation)
   3. 分页（paging）
   4. 虚拟存储(virtual memeory)
      • 目前多数系统(如linux)采用按页式虚拟存储

2. 实现高度依赖硬件

   1. 与计算机存储架构紧耦合
   2. MMU(内存管理单元):处理CPU存储访问请求的硬件

二， 地址空间和地址生成

1， 地址空间的定义

分为3类:

1. 物理地址空间 --硬件支持的地址空间
   起始地址0， 直到MAXsys
2. 逻辑地址空间 – 在CPU运行的进程看到的地址
   起始地址0， 直到MAXprog

逻辑地址生成 流程 需要了解重定位时机

2， 地址生成

1. 编译时(功能手机)
   1. 假设起始地址已知
   2. 如果起始地址改变，必须重新编译
2. 加载时（智能手机）
   1. 如编译时起始位置未知，编译器需生成可重定位的代码（relocatable code）
   2. 加载时，生成绝对地址
3. 执行时
   1. 执行时代代码可移动
   2. 需地址转换(映射)硬件支持

地址生成过程

1. CPU
   1. ALU：需要逻辑地址的内存内容
   2. MMU: 进行逻辑地址和物理地址的转换
   3. CPU控制逻辑:给总线发送物理地址请求
2. 内存
   1. 发送物理地址的内容给CPU
   2. 或接受CPU数据到物理地址
3. 操作系统
   1. 建立逻辑地址LA和物理地址PA的映射

总线概念

3， 地址检查

三， 连续内存分配

分配内存 是2整数幂分配的

1， 内存碎片

1. 计算机体系结构/内存层次

• 给检查分配一块不小于指定大小的连续的物理内存区域

2. 内存碎片（相对整个物理内存而言 两块之间内存 没有使用内存 ）

• 空闲内存不能被利用

3. 外部碎片（是指两个已经分配进程的内存中间内存没有使用的内存与第一内存碎片是）

• 分配单元之间的未被使用内存

4. 内部碎片（是指分配给进程 不然：分配给进程的是1024k， 进程需要1000k，就有24k浪费了 是内部碎片 ）

• 分配单元内部的未被使用内存
• 取决于分配单元大小是否要取整

2， 动态分配

1. 动态分区分配

• 当程序被加载执行时，分配一个进程指定大小可变的分区(块,内存块)
• 分区的地址是连续的

2. 操作系统需要维护的数据结构

• 所有进程的已分配分区
• 空闲分区(Empty-blocks)

3. 动态分区分配策略(allocaction)

4. 最先匹配（First-fit）

5. 最佳匹配（Bset-fit）

6. 最差匹配(Worst-fit)

7. 最先匹配(Fist Fit Allocation)策略

   思路:分配n个字节,使用第一个可用的空间比n大的空闲块。

   1. 原理&实现
   • 空闲分区列表按地址顺序排序
   • 分配过程时，搜索第一个合适的分区
   • 释放分区是，检查释放可与临近的空闲分区合并
   2. 优点
   • 简单
   • 在高地址空间有大块的空间分区
   3. 缺点
   • 外部碎片
   • 分配大块时较慢

分配400字节 黄色是没有分配内存，蓝色是已经分配内存

2. 最优匹配(Best Fit Allocation)策略

   思路:分配n字节分区时，查找并使用不小于n的最小空闲分区

   1. 原理&实现
   • 空闲分区列表安装大小排序
   • 分配时，查找一个合适的分区
   • 释放时，查找并且合并临近的空闲分区(如果找到)
   2. 优点
   • 大部分分配的尺寸比较小时，效果很好
     • 可避免大的空间分区被拆分
     • 可减小外部碎片的大小
     • 相对简单
   3. 缺点
   • 外部碎片
   • 释放分区较慢
   • 容易产生好多无用的小碎片

   分配400字节

3. 最差匹配策略(Worst Fit Allocation)

思路:分配n字节，使用尺寸不小于n的最大空闲分区

1. 原理&实现

 - 空闲分区列表按由大到小排序
 - 分配时，选最大的分区
 - 释放时，检查释放可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并，并调整空闲分区列表顺序

2. 优点

 - 中等大学的分配较多时，效果最好
 - 避免出现太多的小碎片

3. 缺点

 - 释放分区较慢
 - 外部碎片
 - 容易破坏大的空闲分区，因此后续难以分配大的分区

分配400字节

3， 碎片整理

四， 碎片整理

1. 紧凑(compaction)

2. 分区对换(swap in/out)

1. 碎片整理
   • 通过调整紧凑占用的分区位置来减少或避免分区碎片
2. 碎片紧凑
   • 通过移动分配给进程的内存分区,以合并外部碎片
   • 碎片紧凑的条件
     • 所有的应用程序可动态重定位
   • 需要解决的问题
     • 什么时候移动
     • 开销
3. 分区交换(swampping in/out)
   1. 通过抢占并回收处于等待状态进程的分区，以增大可用内存空间

选择进程

五，伙伴系统

1. 伙伴系统的实现

整个可分配的分区大小2 U

1. 需要的分区大小为2 U-1 < s ≤ 2 U 时，把整个块分配给该进程；

   • 如s ≤2 i－1 ，将大小为2 i 的当前空闲分区划分成两个大小为2 i－1 的空闲分区
   • 重复划分过程，直到2 i-1 < s ≤ 2 i ，并把一个空闲分区分配给该进程

2. 数据结构

   • 空闲块按大小和起始地址组织成二维数组
   • 初始状态：只有一个大小为2 U 的空闲块

3. 分配过程

   • 由小到大在空闲块数组中找最小的可用空闲块
   • 如空闲块过大，对可用空闲块进行二等分，直到得到合适的可用空闲块

4. 释放过程

   • 把释放的块放入空闲块数组
   • 合并满足合并条件的空闲块

5. 合并条件

   • 大小相同2 i
   • 地址相邻
   • 低地址空闲块起始 地址为2 i＋1 的位数

结语