第八章：内存管理

操作系统第八章：内存管理 (Memory Management) 通关笔记

一、 内存管理基础：程序是怎么住进内存的？

你可以把内存想象成一家“大酒店”，程序是“客人”。客人必须先住进酒店，才能开始活动（被 CPU 执行）。

1. 基础硬件认知

• 存储层次：CPU 只能直接访问主存（Main memory）和寄存器（Registers） 。

• 速度差异：寄存器访问通常只需一个 CPU 时钟周期或更少，而主存可能需要多个周期 。为了解决速度差，在它们之间加入了缓存（Cache） 。

• 地址空间：

  • 逻辑地址（虚拟地址）：由 CPU 生成的地址（客人的房卡上写的房间号） 。

  • 物理地址：内存单元看到的实际地址（酒店真实的物理房间号） 。

• 内存管理单元 (MMU)：它是前台接待员，负责将逻辑（虚拟）地址映射为物理地址的硬件设备 。用户程序永远只和逻辑地址打交道，看不到真实的物理地址 。

2. 地址绑定（Address Binding）：房号是什么时候定下来的？

指令和数据绑定到具体的内存地址，可能发生在三个阶段 ：

• 编译时 (Compile time)：如果你事先就知道程序要放在哪，就可以直接写死绝对地址。如果起始位置变了，必须重新编译代码 。

• 加载时 (Load time)：如果编译时不知道在哪，编译器会生成“可重定位代码”。具体位置等程序加载进内存时再定 。

• 执行时 (Execution time)：如果进程在运行期间还可能在内存里挪动，那就必须把绑定推迟到运行时。这需要硬件（如基址和界限寄存器）的支持 。

3. 内存空间优化技术（客房不够用怎么办？）

• 动态加载 (Dynamic Loading)：子程序直到被调用时才加载 。好处是未使用的例程绝不会被加载，能更好地利用内存空间 。

• 动态链接 (Dynamic Linking)：链接推迟到执行时进行 。使用一小段称为存根（stub）的代码来定位合适的内存驻留库例程 。这对系统库特别有用 。

• 覆盖 (Overlays)：内存中只保留任何给定时间所需的指令和数据 。通常在进程比分配给它的内存还要大时使用 。

• 交换 (Swapping)：进程可以暂时被换出（swapped out）到后备存储（Backing store），等需要时再换回（swapped in）内存继续执行 。后备存储是一个足够大且能提供直接访问的快速磁盘 。交换的主要时间开销是数据传输时间 。

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二、 连续内存分配：一人独占一整块地

系统将内存分为两部分：操作系统住在低内存（带中断向量），用户进程住在高内存 。

1. 内存保护

• 使用重定位寄存器 (Relocation register)和界限寄存器 (Limit register)来保护用户进程不受彼此干扰，并保护操作系统 。

• 逻辑地址必须小于界限寄存器，重定位寄存器包含最小物理地址的值 。

2. 动态存储分配（怎么分配空闲地块？）

当一个进程到来时，操作系统会从足够大的孔（Hole，可用的空闲内存块）中为它分配空间 。有三种分配策略：

• First-fit (首次适应)：分配第一个足够大的孔 。

• Best-fit (最佳适应)：分配足够大中的最小孔 。必须搜索整个列表，这会产生最小的剩余孔 。

• Worst-fit (最坏适应)：分配最大的孔 。产生最大的剩余孔 。

• 注：在速度和存储利用率上，首次适应和最佳适应通常优于最坏适应 。

3. 内存碎片（Fragmentation）

• 外部碎片 (External Fragmentation)：总内存空间足够满足请求，但它们不连续，碎了一地 。可以通过紧凑 (Compaction)技术（洗牌合并空闲内存）来减少外部碎片，但这要求地址重定位是动态的且在执行时进行 。

• 内部碎片 (Internal Fragmentation)：分配给进程的内存可能略微大于请求的内存 。多出来的那一点就在分好的区域内部，没法给别人用 。

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三、 分页机制 (Paging)：“切蛋糕”式的系统管理

核心思想：分页允许进程的逻辑地址空间不连续 。就像把大蛋糕切成标准化的小块，哪里有空盘子就放哪。

1. 基本架构

• 物理内存被划分为固定大小的块，称为帧 (frames)（大小一般在 512 字节到 8192 字节之间） 。

• 逻辑内存被划分为相同大小的块，称为页 (pages) 。

• 分页机制会产生内部碎片 。

2. 地址转换

CPU 生成的地址被切分为两部分 ：

• 页号 (p)：作为页表的索引，页表里存着每一页对应的物理基址 。

• 页偏移 (d)：和基址结合，生成最终发给内存的物理地址 。

3. 硬件支持与 TLB

• 页表保存在主存中 。页表基址寄存器 (PTBR) 指向页表，页表长度寄存器 (PRLR) 指示页表大小 。

• TLB (翻译后备缓冲器)：因为传统的页表机制访问一次数据需要两次内存访问（查一次表，取一次数据），所以引入了 TLB 这种快速查找硬件缓存（关联内存）来加速 。

• 有效访问时间 (EAT) 计算：

  • 设命中率为 ，关联查找时间为 ，内存周期时间为 1 。

  • 。

  • 化简： 。

4. 保护与共享

• 保护：通过在页表项中附加有效-无效位 (Valid-invalid bit)来实现 。“有效”表示页面在进程逻辑地址空间内，是合法的 。

• 共享页：多个进程可以共享只读（可重入）代码（如编译器、文本编辑器等） 。共享代码必须在所有进程的逻辑地址空间中的相同位置出现 。

5. 高级页表结构（应对大内存）

• 分级页表 (Hierarchical Paging)：把逻辑地址空间拆分成多个页表 （如经典的 32 位机器两级页表）。

• 哈希页表 (Hashed Page Tables)：虚拟页号被哈希到页表中，表项包含一个散列到同一位置的元素链表 。

• 反转页表 (Inverted Page Tables)：内存中的每一个真实物理页只有一个表项 。包含物理内存中该页的虚拟地址和拥有它的进程信息 。优点是减少了存页表的内存，缺点是增加了搜索表的时间 。

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四、 分段机制 (Segmentation)：“切猪肉”式的逻辑管理

核心思想：分段是一种支持用户视角 (user view)的内存管理方案 。程序是按照逻辑单元（如主程序、子程序、函数、堆栈、数组等）来划分成一个个“段”的 。

1. 分段架构

• 逻辑地址：由二元组组成：<段号, 偏移量> (<segment-number, offset>) 。

• 段表 (Segment table)：映射二维物理地址，包含 ：

  • 基址 (base)：段驻留在内存中的起始物理地址 。

  • 界限 (limit)：指定该段的长度 。

• 硬件支持：段表基址寄存器 (STBR) 指向段表位置，段表长度寄存器 (STLR) 指示程序使用的段数（段号 才合法） 。

2. 分段的特性

• 保护：段表每个条目关联验证位（=0 为非法段）和读/写/执行权限 。这使得保护机制非常自然。

• 共享：具有相同段号的共享段可以实现代码共享，且共享发生在段级别 。

• 内存分配：因为每个段的长度都不一样，内存分配是一个动态存储分配问题（使用 First fit / Best fit） 。

• 缺点：分段会产生外部碎片 (external fragmentation) 。

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五、 核心辨析：分页 vs 分段

对比维度	分页机制 (Paging)	分段机制 (Segmentation)
视角划分	系统视角：方便物理内存管理，对用户透明。	用户视角：反映程序的逻辑结构。
尺寸与碎片	固定大小：产生内部碎片。	可变大小：产生外部碎片。
地址维度	一维：硬件自动将单一地址拆分为页号和偏移。	二维：用户提供 <段号, 偏移量>。
映射表核心	页表只需记录物理基址（帧号）。	段表必须记录基址 (base) 和 界限 (limit)。
保护与共享	较难精确按逻辑进行保护和共享。	非常容易，直接按逻辑段设置读/写/执行权限。