操作系统物理内存管理

操作系统物理内存管理主要包括程序装入、交换技术、连续分配管理方式和非连续分配管理方式（分页、分段、段分页）。

程序装入已在本专栏上一篇文章中介绍过，因此本文主要介绍连续分配管理方式以及非连续分配管理方式。

连续分配管理方式

单一连续存储管理

在这种管理方式中，内存被分为两个区域：系统区和用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。

优点：
易于管理

缺点：
对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，使得很少使用的程序也会占用—定数量的内存。

分区式存储管理

分区式存储管理是把内存分为一些大小相等或不等的分区，操作系统占用其中一个分区，其余的分区由应用程序使用，每个应用程序占用一个或几个分区。

固定分区

将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业，容易产生浪费和不足。

优点：
易于实现，开销小。

缺点：
会产生内部碎片，造成浪费；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。

动态分区

不预先将内存划分，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。

下面列出了几种常用的分区分配算法：

1. 最先适配法(nrst-fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到符合要求的第一个分区进行分配。较大的空闲分区可以被保留在内存高端。
2. 下次适配法(循环首次适应算法 next fit)：按分区在内存的先后次序，从上次分配的分区起查找(到最后{区时再从头开始}，找到符合要求的第一个分区进行分配。较大空闲分区不易保留。
3. 最佳适配法(best fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到其大小与要求相差最小的空闲分区进行分配。较大的空闲分区可以被保留。
4. 最坏适配法(worst fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到最大的空闲分区进行分配。较大空闲分区不易保留。

优点：
没有内碎片。

缺点：
引入了外部碎片；算法复杂，系统开销大。

伙伴系统

固定分区和动态分区方式都有不足之处。固定分区方式限制了活动进程的数目，当进程大小与空闲分区大小不匹配时，内存空间利用率很低。动态分区方式算法复杂，回收空闲分区时需要进行分区合并等，系统开销较大。伙伴系统方式是对以上两种内存方式的一种折衷方案。

伙伴系统规定，无论已分配分区或空闲分区，其大小均为 2 的 k 次幂，k 为整数， l≤k≤m，其中2¹ 表示分配的最小分区的大小，2^m 表示分配的最大分区的大小，通常 2^m是整个可分配内存的大小。

假设系统的可利用空间容量为2^m个字， 则系统开始运行时， 整个内存区是一个大小为2^m的空闲分区。在系统运行过中， 由于不断的划分，可能会形成若干个不连续的空闲分区，将这些空闲分区根据分区的大小进行分类，对于每一类具有相同大小的所有空闲分区，单独设立一个空闲分区双向链表。这样，不同大小的空闲分区形成了k(0≤k≤m)个空闲分区链表。

分配步骤：

1. 当需要为进程分配一个长度为n 的存储空间时，首先计算一个i 值，使 2^(i－1) <n ≤ 2ⁱ，然后在空闲分区大小为2ⁱ的空闲分区链表中查找。
2. 若找到，即把该空闲分区分配给进程。
3. 否则，表明长度为2ⁱ的空闲分区已经耗尽，则在分区大小为2^(i＋1)的空闲分区链表中寻找。
4. 若存在2^(i＋1)的一个空闲分区，则把该空闲分区分为相等的两个分区，这两个分区称为一对伙伴，其中的一个分区用于配，而把另一个加入分区大小为2^i的空闲分区链表中。