操作系统中的内存管理

操作系统中的内存管理

一、虚拟内存和物理内存

1、为什么要引入虚拟内存？

        如果程序可以直接访问物理内存，在多个程序同时运行的时候，如果操作了同一块物理内存，那么后面的程序对内存的操作会修改前面程序对内存的操作，这是错误的。所以引入了虚拟内存，程序直接操作的是虚拟内存，由CPU的内存管理单元进行虚拟内存和物理内存之间的映射。当程序访问虚拟地址的时候，由操作系统转换成对应的物理地址，保证不同进程运行的时候使用的是不同的物理地址。

2、物理地址和虚拟地址

        程序运行的时候直接访问的是虚拟内存，然后由内存管理单元映射到对应的物理内存进行访问。程序使用的内存地址是虚拟内存地址，实际在硬件里面的空间地址是物理地址。

 二、内存分段和内存分页

1、内存分段

        段基地址和段内偏移量一起得到物理内存地址。段选择子保存在段寄存器里面，段选择子里面有段号，用做段的索引，段表里面保存段的基地址、段的界限等。

        分段机制把虚拟内存分为四段，每个段在段表里面有一个项，在这一项里面找到段的基地址，再加上偏移量，就可以找到对应的在物理内存里面的地址。

问题：

        内存碎片问题：类似于java里面的标记清除算法的内存碎片问题，在进行内存分配与释放的时候，会有不连续的空闲内存产生，这个时候如果有程序需要稍微大一点的内存的时候，就没有办法进行分配。

        外部内存碎片：程序之外，物理内存里面，不连续的内存碎片。解决办法：内存交换，把其中一个程序占用的内存写到磁盘里面，然后再从磁盘里面进行读取，读取的时候要紧邻着之前已经使用的内存，最大程度上让空闲内存连续。

        内部内存碎片：程序里面会有不常用的内存，也会导致内存的浪费。

2、内存分页

        因为分段的时候会产生内存碎片，为了减少内存碎片的产生，在操作的内存的大小变小，也就是内存分页。Linux中每页是4KB（这里类似于MySQL中的InnoDB引擎，InnoDB引擎中一页是16KB）。

 

        内存空间不够的时候，操作系统会使用页置换算法，把符合置换条件的页释放掉，也就是换出；需要的时候再加载进来，称为换入。这里页面置换算法是以页为单位的，一页或者几页；但是在分段内存里面，是会把应用程序占用的全部物理内存进行换入和换出，所以分页在内存交换的时候效率要高。

        内存分页的时候虚拟地址和物理地址之间的映射关系：虚拟地址分为：页号和页偏移量，其中页号是在页表里面的索引，页表包含物理页每页对应的物理内存的基地址，基地址加页内偏移量形成物理地址。

        缺点：因为页表也需要占用空间，并且每个进程都会维护一个页表，那么如果进程很多的情况下，就会占用一定的空间。

        解决办法：多级页表（类似于MySQL底层使用的数据结构：B+树），使用多级页表来减少空间的占用。

        页在需要的时候进行加载，不需要的时候不加载。这就会存在某些热点的数据被频繁的使用，所以会使用缓存来缓存热点页（所以MySQL中InnoDB引擎会有BufferPool来进行缓存，MyBatis里面有一级缓存和二级缓存，CPU里面有一级缓存、二级缓存和三级缓存，这些都是一样的道理，为了提高读取数据的速度，保证程序的执行效率）

文章中部分图来自于小林coding的图解操作系统