内存管理

虚拟内存

操作系统引入了虚拟内存的概念

  • 程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址（Virtual Memory Address）
  • 实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。

内存分段 Segmentation

driven: 用户执行的程序（虚拟内存中），在物理内存中找一块地方放（段的大小不固定）

虚拟地址通过段表与物理地址进行映射。

虚拟地址切分为：段选择因子和段内偏移量：

  • 段选择子就保存在段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。
  • 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

分段会产生外部内存碎片

解决外部内存碎片：内存交换 —— 先把内存碎片中间的东西交换到硬盘上，再从硬盘上拿回到内存（放在两侧，使外部内存碎片得以合并）

但是！这样效率比较低，因为硬盘访问速度太慢了！

内存分页 Paging

driven：把虚拟内存和物理内存切分成很多个固定大小的页，比如一片4kb

分页不会产生外部碎片，因为它可以将连续的虚拟地址映射为不连续的物理地址。

但是分页可能产生内部碎片。例如当程序不足一页大小时，还是会给它分配一页。

当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。

分页的方式使得我们在加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。我们完全可以在进行虚拟内存和物理内存的页之间的映射之后，并不真的把页加载到物理内存里，而是只有在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存里面去。

虚拟地址切分为：页表和页内偏移量

多级页表

如果页表只有一级，由于页表项比段表项更多，那么占用内存会更多。每个进程都有自己的虚拟地址空间，也就是说都有自己的页表，使差距继续几何倍数增长。

可以用多级页表来解决。由于局部性原理，如何某个n级页表没有被用到，你那么便无需创建其的n+1级页表。

64位系统一般由四级目录：

  • 全局页目录项 PGD（Page Global Directory）；
  • 上层页目录项 PUD（Page Upper Directory）；
  • 中间页目录项 PMD（Page Middle Directory）；
  • 页表项 PTE（Page Table Entry）；

TLB

在 CPU 芯片中，加入了一个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer） ，通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。

在 CPU 芯片里面，封装了内存管理单元（Memory Management Unit）芯片，它用来完成地址转换和 TLB 的访问与交互。

有了 TLB 后，那么 CPU 在寻址时，会先查 TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。

TLB 的命中率很高，因为程序最常访问的页就那么几个。

段页式

将分段和分页结合。

段页式内存管理实现的方式：

  • 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；
  • 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；

地址结构由段号、段内页号和页内位移三部分组成。