内存管理、分段、分页

淡淡的烟草味﹌ 2022-09-25 10:24 214阅读 0赞

# 内存管理 #

## 为什么要有内存管理 ##

多道程序操作系统中，进程的并发执行依赖于CPU调度。CPU能访问的存储器只有**内存**和**（处理器中的）寄存器**（机器指令可以用内存地址作为参数）。  
　　寄存器价格昂贵且存储空间小，因此进程执行的指令以及指令使用的数据主要还是保存在内存上。（如果这些数据不在内存中，CPU在使用前也需要将数据移到内存中）。  
　　由上可见，CPU要执行的进程（指令和数据）需要存储在内存中，（而内存的空间也是有限）， 那么如果进行内存的管理就是一个问题了。

## 如何进行内存管理 ##

要让CPU执行的进程保存在内存中，其实有两个内存管理的方向

*  **1. 交换：** 在进程要执行时（占有CPU）再移入内存，内存中的进程不在运行时就移出内存。 由于交换（进程的滚入和滚出）有较大的时间开销，因而标准的交换应用并不广泛。
 *  **2. 在内存中保存多个进程：** 现代系统大多会在内存中保存多个进程。
    
    　　我们知道操作系统本身保存在内核中，进行内存管理要保证用户进程不能访问内核空间。另外，不同进程之间也不能互相访问对方的内存空间，以免造成不合法的访问。 因此，**每个进程都应该有自己独立的内存空间**  
    　　为了保证每个进程由自己独立的内存空间，要为每个进程分配一块内存空间，各个进程只能访问分配给自己的内存空间。

### 地址绑定 ###

进程在调入CPU运行时，系统会为其分配内存空间。进程在执行时，需要通过内存地址访问其要使用的数据。然而，我们并不知道系统为进程分配的内存地址空间是那一段，也就是说在程序运行之前，我们并不知道数据所保存的物理地址。 这样的话，程序如何使用自己内存空间的数据呢。 系统设计人员提出了**逻辑地址**和**地址绑定**的概念。  
　　地址绑定的原理其实就是不再使用绝对物理地址， 而是以系统分配给进程的起始地址作为基地址，然后通过相对地址（逻辑地址）来访问数据。 这样在程序执行时，系统再将逻辑地址根据绑定的映射关系转化物理地址来访问内存了。

### 连续内存的分配 ###

CPU能并发执行多个进程，操作系统要为这些进程分配内核空间。进程执行结束后，操作系统需要回收内存空间。各个进程需要的空间大小不一致，如果要为每个进程分配连续的内存空间，那么就会产生许多内存浪费（碎片）。即每个空闲的空间都不足以保存要执行的进程，但是有许多比该进程所需空间小的内存，（这些内存的总和可能远大于要执行的进程所需的内存空间）。  
　　可以看出连续内存的分配有很大的局限性。（尽管可以通过算法进行一定的优化，但仍然不能满足需求）。因此，为了提高内存空间的利用率，更好的方式就是支持给进程分配物理地址不连续的内存空间。　**分页和分段**是两种互补的（可合并的）用于分配不连续物理地址的内存空间的方法。

### 分页 ###

分页的原理是，把进程的逻辑内存空间划分为许多个固定长度的小片（称之为**页、page**）。对应的，物理内存空间也分为许多个固定长度的小部分（称为**帧 frame**）。 每个页对应一个帧（帧不需要连续）。 这样，再内存管理时，一个进程最多也就产生最后一页的一部分的空间浪费。几乎不会到时大的碎片（空间开销）。  
**页表：**  
　　分页对内存管理的优化，最关键的就是使得分配给一个进程的内存不需要连续了，而是分配给进程一些不连续的帧。 既然如此，我们就需要为每个进程管理一张页表，用于告诉进程它的页分别对应到物理内存中的哪些帧。

### 分段 ###

分段的基本思想是：将用户程序地址空间分成若干个大小不等的段，每段可以定义一组相对完整的逻辑信息。存储分配时，以段为单位，段与段在内存中可以不相邻接，也实现了离散分配。

### 分页与分段的主要区别 ###

分页和分段有许多相似之处,比如两者都不要求作业连续存放.但在概念上两者完全不同,主要表现在以下几个方面:  
(1)页是信息的物理单位,分页是为了实现非连续分配,以便解决内存碎片问题,或者说分页是由于系统管理的需要.段是信息的逻辑单位,它含有一组意义相对完整的信息,分段的目的是为了更好地实现共享,满足用户的需要.  
(2)页的大小固定,由系统确定,将逻辑地址划分为页号和页内地址是由机器硬件实现的.而段的长度却不固定,决定于用户所编写的程序,通常由编译程序在对源程序进行编译时根据信息的性质来划分.  
(3)分页的作业地址空间是一维的.分段的地址空间是二维的.

# 小结 #

内存管理其实就是管理如何在内存中存储进程的信息。

*  我们可以在内存中保存一个进程，也可以保存多个进程。 如果内存中，保存一个进程。那么就需要在另一进程要执行时，将该进程**交换**进内存。这显然要产生很多（进程滚入、滚出的）开销。 因此 标准的交换 已经很少被用到。 （在虚拟内存的管理中，会发现一些改进的交换有了很广泛的应用。）
 *  如果在内存中存储多个进程，那么进程的地址空间就不是从0地址开始了，而又可能发生变化。（不确定进程滚入时，进程的基地址）。这就有了地址绑定和逻辑地址的概念。
 *  多个进程如何在内存中存储呢？连续存储 开起来会产生很多碎片。 而分页和分段则是优化内存管理的手段。