OS内存管理

前言：文章参考 小林Coding， 部分图片来自王道考研和博主的公众号；学习书籍参考 操作系统设计与实现

目录

1. 什么是虚拟地址？

2. 基本分页存储管理思想

 2.1 为什么分页能够解决碎片问题

2.2 优缺点

3. 多级页表

4. 块表TLB

5. 段页式存储

6.总结

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1. 什么是虚拟地址？

由程序产生的地址称为虚拟地址，在OS的帮助下，完成虚拟地址和物理地址的映射关系。

计算机中虚拟地址没有直接放到地址总线上，而是放到存储管理单元MMU，由它完成虚拟地址和物理地址的映射关系。

2. 基本分页存储管理思想

把内存分为一个个相等的小分区,再按照分区大小把进程拆分成一个个小部分

物理内存划分为若干固定大小的内存块， 称为物理页面或页框； 虚拟地址划分为同样大小相同的块，称为页面

操作系统以页框为进程分配内存空间，页框连续，因此可以避免内存碎片的产生（回收后的空间仍能很好被利用）；页面与页框之间是一一映射关系。

每个进程可能被划分为若干页面，这些页面组成了页表结构

 地址转换计算：

页号 = 逻辑地址 / 页面长度

偏移量 = 逻辑地址 % 页面长度

 2.1 为什么分页能够解决碎片问题

页框大小固定，释放的内存大小以页为单位 -》 物理中的某一个页框，在下次分配中还是以页为单位分配，不会存在无法使用的小内存，如果内存过大，会被切分到多个页面中

当页表中不存在对应的页号时，发生缺页中断，通过一些页面置换算法去磁盘中检查是否存在合适的页面（当内存发生不足时，会选择不使用的内存页交换到磁盘当中，称为换入换出操作）

2.2 优缺点

优点：

通过分页，程序内存不需要全部加载到内存当中；在虚拟内存和物理内存建立映射关系后，通过虚存技术将不使用的页面放到磁盘中，当发生缺页中断的时候，在访问磁盘。

缺点：

1.磁盘访问频率过高

2.每个程序都会对应一个页表，当程序过大，页表会占据很大的内存

        如：设虚拟内存大小4GB， 每个页面4KB（2^12），需要页面个数：4GB / 4KB = 2^20；如果每个页表项（页表中的每一行）为4B， 页表大小为2^20 * 4B = 4M；当程序存在100个，每个程序占有4M的页表，总页表大小为400M；

3. 多级页表

通过多级页表的方式解决页表内存占据过大的问题

 在传统单表的页号部分继续划分分级页表。如上图，由一级页表中的信息可以映射到全部虚拟内存地址，但是计算内存占用，设每个页面4B, 一级页表：4KB， 二级页表：4KB * 1KB = 4MB

 根据局部性原理， 虽然进程的虚拟内存很大，但是在程序运行过程中，并不会用到所有的虚拟地址，因此不需要全部记录在页表中

假设程序中只有20%的部分运行中使用，因此内存占据：4KB + 20% * 4MB （二级页表） = 0.804MB

4. 块表TLB

引入页表后，加大了磁盘内存的访问次数；为了解决这个问题，参照局部性原理，引入TLB（关联存储器），存放最常用的页表；TLB存放在MMU中

5. 段页式存储

段式存储 + 页式存储

段式存储思想是将物理内存安装程序划分为不同的段（这个段一般大小不固定，针对不同的程序赋予不同的大小，每个段之间相互独立）。段式存储中程序员可以清晰知道每个段的意义，存储什么数据，但是在回收的时候会产生内存碎片

结合页式存储思想，将物理内存划分为等大的页框便于内存的管理

 整个地址空间分为：段号 + 段内页号 + 页内偏移

执行流程：1.先访问段表，得到页表的起始地址； 2. 访问页表，得到物理块号 3.计算物理内存中起始 + 页内偏移 计算真正的物理地址

6.总结

1.为了保证多个程序之间内存地址不会发生冲突，引入虚拟地址的概念。由OS屏蔽虚拟地址和物理地址之间的映射细节。

2.但是在程序内存过大时，可能导致分配不足，引入虚存技术。将不常用的程序先交换到磁盘中。

3.在系统维护映射关系的过程中，考虑分页和分段的思想

分段相对更加针对，程序员知道每段具体分配的信息；而分页将内存划分为等大部分，避免了内存碎片的产生，提高了内存的利用率。

4.分页思想提高了利用率，但是增加了磁盘的访问频率（当发生缺页中断），使用块表； 页表过大，产生多级分表的思想， 两种解决措施的根本来源于局部性原理