寄存器和cache

位于CPU内部，操作系统无法对这两种数据直接管理，它们属于有访问快但是容量小特性。放置的数据和指令是有限的。
主存

可以存储很多可以运行的程序，如果数据过大放不下需要将数据放到硬盘中，这就需要操作系统管理和控制。主存的数据属于一掉电数据就没了。需要在掉电前把数据放入硬盘中。
磁盘

掉电后，能够保存数据的类型。数据访问速度较慢，但是容量比较大。

可以发现越靠近CPU数据访问速度越快，容量越小，越到磁盘速度越慢，容量越大。数据访问速度越快，并且容量，需要操作系统去管理物理内存和虚拟内存，可以完成看起来不可能完成的任务。

3.1.3四个目标

操作系统需要完成的事情，有四个目标

抽象：不用考虑底层的细节，只需要访问连续的具体地址（逻辑地址空间）

保护：可以运行多不同应用程序，不同的应用程序可能会访问别的程序的地址空间，造成应用地址的破坏。有效的机制能够保护进程间的地址，使得地址在不同的应用程序间相互隔离。

共享：需要一个共享的空间，用于数据传递

虚拟化：在内存中放了很多应用程序，会出现内存不够的情况。正在运行的程序获取所需要的空间，可以采用最需要放到内存的数据放到内存中，暂时不需要的数据可放入硬盘中。

逻辑地址空间和物理地址空间

主存和硬盘属于物理地址空间，运行的程序属于逻辑地址空间

四个目标需要机制完成，机制包含了相关的手段

在操作系统中管理内存的不同方法

程序重定位

分段

分页

虚拟内存

按需分页虚拟内存
实现高度依赖与硬件

必须知道内存架构

MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

3.2地址空间与地址生成

3.2.1地址空间 & 地址生成

地址空间定义

地址空间生成

地址安全检查

地址空间

物理地址空间

是和硬件直接对应，比如内存条所代表的的主存和硬盘所代表的的另一种存储空间。物理地址空间的控制和管理，是由硬件来完成的。
逻辑地址空间

一个运行的程序他所拥有的空间，一维线性的空间，应用程序会比较访问，相关的控制等。

所有运行的程序，它所访问的逻辑地址空间，最终都落在一个物理内存中。比如每条指令，根据逻辑地址空间，它位于箭头指向的程序所指的位置（上图所示），但最终会放置咋主存中或者硬件中。至于放在主存还是硬盘中是由操作系统协调的，可以明确的说明这种映射关系需要操作系统有效的管理。

3.2.2逻辑地址生成

通过编译期，通过linker，通过loader就可以完成这个过程的建立。

c程序通过编译可以把c程序，编译成汇编程序。c程序中，函数的名字，变量名字就是一种地址，是一种人容易理解的方式存在的

汇编程序，更加接近机器语言，但还是符号代表变量和函数的名字，相对机器语言也更好地让人理解阅读。

通过汇编器，可以转化成机器语言.o文件，起始地址都是从0开始，会把函数符号名、变量符号名转化为相应的地址。

大的程序是由多个小的程序组成的，可能使得不同的程序之间的地址相互访问。通过linker将这些.o文件最终变成单一的可执行文件exe file。exe file是一个单一的文件，可以在文件中执行暂时还存在硬盘中的程序。这个程序中地址已经做了一个全局的分布，不同的.o程序能够在单一的执行中有相应的定义，这个定义还不在内存中的一个位置。

loader应用程序，让这个放在硬盘中的可执行程序放到内存中去运行。这一步会需要去完成把这个逻辑地址完成相应的分配，使得应用程序在内存中可以正常的跑。相对与执行程序，它会有相应的偏移量，偏移量可为0或者特定的偏移量。有了这个值，所有的程序都依照这个偏移量来正确的进行数据访问和指令的操作。从符号的逻辑地址到最终在内存中可以运行的具体的逻辑地址，这个过程有很多转换过程，这个过程不需要操作系统做任何帮助。

3.2.3这个指令所处的逻辑地址是怎么映射到物理地址上面去的

指令有自己的逻辑地址。需要把指令从内存中取出来，放在物理内存中的什么地方，这就有一个映射关系。

硬件中有MMU（内存管理单元）。MMU在有块区域表示这个映射关系（蓝色位置所示）。映射我们查表就可以知道，逻辑地址到物理地址的一个映射。逻辑地址和物理地址的关系，是需要通过操作系统完成的。

可以简化下面几个步骤

CPU要执行某条指令的时候，它的ALU（计算逻辑单元）部件需要这条指令的内容，它会发出请求，发的请求带着参数就是逻辑地址。
CPU的MMU会去查找逻辑地址的映射表，是否存在对应的物理地址，如果有的话就匹配。
如果没有的话就会从内存（主存）中找。如果找到了，CPU的控制器会给主存发起请求，需要一个物理地址的内容（指令的内容）。
主存会把内存的内容通过总线传给CPU，CPU拿到这条指令的内容就可以对它执行操作。

3.2.4地址安全检查

操作系统首先要确保每一个程序有效访问的地址空间。

第一部分是起始地址，第二个是长度。通过这两部分可以知道这个区域是这段程序的合理范围，超出区域的访问是这个程序不合法的访问。

一旦CPU去执行某条指令的时候，它会查询这个map。这个map会指出来，他访问的地址，逻辑地址是否满足区域的限制。然后找到对应的物理地址的位置，数据和指令取回来。一旦不满足，CPU就会产生memory异常（内存访问异常），

3.3连续内存分配

内存碎片问题
分区的动态分配（第一适配、最佳适配、最差适配）
压缩式碎片整理和交换式碎片整理

3.3.1内存碎片问题

内存碎片问题就是空闲内存不能被利用

外部碎片：在分配单元间的未使用内存

内部碎片：在分配单元中的未使用内存

3.3.2连续分配内存：内存碎片与分区的动态分配

操作系统会对应的三种算法，分别是第一匹配分配、最佳匹配分配、最差匹配分配。

为了使得程序能够得到连续的区间，程序中的数据可以有连续的空间。

3.3.2.1第一匹配分配

为了分配n字节，使用第一个可用空闲块以致块的尺寸比n大。

3.3.2.2最佳匹配分配

为了分配n字节，使用最小的可用空闲块，以致块的尺寸比n大

3.3.2.3最差匹配分配

为了分配n字节，使用最大可用空闲块，以致块的尺寸比n大。

3.3.2.4总结

到底哪一种是做好的算法？其实没有最好的算法这一说。应用程序的请求是随机产生的，根据特定的场景产生有各自的特点，应用程序一会需要大的空间块，一会需要小的空间块，需求是随机的可变的，不存在一种可以满足所有的需求。

	第一匹配分配	最佳匹配分配	最差匹配分配
基本原理	简单实现	1）为了避免分割大空间块2）为了最小化外部碎片产生的尺寸	为了避免有太多微小的碎片
需求	1）按地址排序的空闲块列表2）分配需要寻找一个合适的分区3）重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区（若有）	1）按尺寸排列的空间块列表2）分配需要寻找一个合适的分区3）重分配需要搜索及合并于相邻的空间分区（若有）	1）按尺寸排列的空闲块列表2）分配很快（获得最大的分区）3）重分配需要合并于相邻的空闲分区，若有就调整空闲块列表
优势	简单，易于产生更大空闲块，向着地址空间的结尾	当大部分分配的尺寸是小尺寸时非常有效，比较简单	假如分配是中等尺寸效果最好
劣势	产生外部碎片和不确定性	产生外部碎片，重分配慢和易产生很多没用的微小碎片（不怎么样）	重分配慢，产生外部碎片和易于破碎大的空闲块以致大分区无法被分配

3.3.3连续分配内存：压缩式与交换式碎片整理

3.3.3.1压缩式碎片整理

重置程序以合并孔洞
要求所有程序是动态可重置的

图3-1

这里面有四个程序，还剩余5个内存块。如果有第五个程序想占用这5个内存块，其实不能够满足需求，因为这5个内存块是不连续的。

目前可以采用挪动内存块的方式，如上图3-1右边所示，p2，p3，p4都往上去挪动，使得空间块能够空出来。这个过程也是内存拷贝的过程。

但其实这个过程不是单纯拷贝这个简单，还需要考虑何时重置和开销。程序在运行的时候显然不满足要求，可以在程序的停止过程，这个时候程序没有占用CPU执行，处于等待状态。另外开销问题，程序从一个地方拷贝到另一个地方，也许速度会很快，但是内存中频繁做这类操作，内存拷贝的开销也会增大，甚至会影响整个系统正常的执行。纯靠软件的话，存在很大的开销的问题。

3.3.3.2交换式碎片整理

另外，可以利用硬盘。可以把硬盘当做内存的后备。

这里P1，P2，P3应用程序正在等待运行，P3这个时候运行，且在P3应用执行过程中需要更多的内存，从3个内存块到6个内存块。而此时已经没有更多的内存，通过压缩式碎片整理的方法，已经不起作用。由于P1，P2，P4，已经把空间占满了，只能把硬盘当做备份（类似华容道原理）。P4占了3个内存块，由于P4正在等待某个事件，这个时候把P4占用挪到硬盘上去，3个空闲内存块正好可以让P3使用。P4数据并没有消失，只是从主存放到了硬盘上去。P4需要执行的时候，再从硬盘拷贝到主存中去。

但其实这个过程拷贝到硬盘中去，还需要考虑哪些程序交换和交换的时机。如果程序本身比较大，主存和硬盘的交换开销也是很大的。

操作系统学习笔记 3内存管理

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