简单了解内存管理

虚拟内存

操作系统需要管理的就是各个进程的内存，对于进程，需要存储代码、堆、栈等信息，如果让程序员直接来操控物理内存管理进程的话，难度会更大，需要考虑进程在哪个位置分配、会不会冲突等问题，那么操作系统提供了虚拟内存给程序员使用，背后的实现这些脏活累活都交给操作系统去完成了，对于虚拟内存，有一些追求的目标：

• 透明：每个进程看上去都有自己的内存，从0地址开始

• 效率：在虚拟内存转换到物理内存的时候兼顾时间（TLB哈希表）和空间（多级页表懒加载）

• 保护：每个进程是隔离的

除了硬件的底层实现，同时也需要有一些上层的策略（如可用内存如何管理、内存不够哪些内存可以释放）

硬件的地址转换

硬件的地址转换也可以叫做虚拟内存和物理内存的联系：物理内存 == 虚拟地址 配合 基址寄存器，可以理解为基址寄存器保存着虚拟地址转换来的物理地址的起始点，界限寄存器用来保证访问不越界。

这两个寄存器是CPU的重要部分，具体来说是CPU的内存管理单元MMU的重要部分，MMU是操作系统在进程上下文切换用来临时保存将要执行的进程的信息，而对于首次运行的进程，需要从进程列表（保存所有的进程信息）中的进程结构PCB拿出进程信息恢复到MMU，然后返回用户态执行进程。

对于越界访问的进程，界限寄存器会判断并跳转到内核态的异常处理程序。

分段

对于进程内部的虚拟内存，栈和堆之间有很大一块空闲空间，我们可以通过分段把这块空闲空间放到进程外部，把进程内存细分为几个段（如代码段、堆段、栈段），每个段有自己独立的基址寄存器和界限寄存器，也就是说MMU里面有多个寄存器对，进程上下文切换的时候需要恢复多个寄存器对。

我们如何才能知道访问到哪个段？将虚拟地址切割，前两位表示哪个段（对应使用哪个寄存器对），后几位表示段内偏移量，还有几位表示保护位（规定进程的访问权限，用于进程共享时检查）。

分段的空闲内存管理

对于分段这种机制，拿堆的内存分配举例，会产生许多的外部碎片，我们可以使用空闲列表的方式去管理这些空闲的内存（外部碎片），对于每块空闲内存，他都有一个头部用来存放当前空闲内存的字节数（进程使用完后free()释放这块内存）、以及指向下一个空闲内存的指针。当需要申请增大堆空间的时候，只需要把空闲列表尾节点的指针指向新申请到的内存。

当归还的内存和原有的空闲内存的地址相邻的时候，我们需要去合并他们，这里简单介绍一下简单合并的方法，伙伴系统（不针对分段）：将一块堆内存空间分成很多小块以及更小的块，每个小块或者更小的块都是2^n字节大小（递归分配），在进程需要内存的时候，分配一块2^n字节大小的给进程（没有外部碎片但是有内部碎片），归还的时候只需要看看兄弟节点是否是空闲的，然后递归合并。

分页

对于分段，每个段的大小是不相同的，产生的外部碎片会比较多，不利于空间的分配，我们需要一种分页的机制，每个内存页的大小相同，就不存在外部碎片了，空闲页同样会用空闲列表保存。那么分页是如何进行地址转换的呢？虚拟内存会被分为多个部分，比如VPN（虚拟内存页号）、偏移量，存放在内存的页表将VPN转换成PFN（物理页号）再 + 偏移量，就得到实际的物理地址了，分页这里用页表替换了基址寄存器的功能。

当然相应的也会存在一些问题：分页需要内存的页表进行虚拟地址到物理地址的映射转换，就需要额外多一次访问内存、以及页表也是需要占用内存空间的，我们无法忍受多进程下页表占用大量的内存空间。

TLB（快速地址转换）

对于多一次访问内存，我们可以在CPU加入地址映射缓存TLB来加快访问速率，CPU对于CPU缓存的访问是比访问内存快的，但是缓存一般会比较小，同时需要去维护缓存。

在进程上下文切换的时候，和分段不同，不用保存和恢复寄存器对的内容，而是使用TLB代替，需要恢复TLB，但是还是需要保存恢复程序计数器等其他的硬件信息的，同时会将旧的进程的页表映射缓存设置为无效（逻辑删除），当新的进程需要访问物理内存的时候，硬件发出异常，进程陷入到内核态，操作系统去完成异常中断程序（将需要的页表映射加载到TLB），进程再回到用户态再次执行刚刚访问物理内存的指令，这一次就会命中TLB缓存。

上述还有一个问题，在将需要的页表映射加载到TLB的时候，如果TLB是满的，如何选择替换哪个无效的页表映射呢？就需要用到类似于内存硬盘数据页换入换出的算法了，比如LRU等。

多级页表

页表也是需要占用内存空间的，我们一开始采用的是线性页表，即一开始分配一块线性的空间用来存储页表，对于多进程的现代计算机来说，需要提前分配好足够大的内存，并且使用过程中可能出现很大的空间浪费，后面我们采用了类似于树的结构，也就是多级页表这样的结构存储页表，虽然牺牲了一部分查找的时间，但是显然我们觉得内存是更加宝贵的资源，采取这种时间-空间折中的办法，而线性页表完全是用空间换取了时间。

在进程需要访问物理内存的时候，同样会到TLB先查询缓存，如果缓存未命中，才会去查询多级页表，对于多级页表的查询过程：

1. 先查询低级的页表索引目录

2. 再逐步查找更高级的N级页表索引目录

3. 最后加上偏移量找到页内数据