【操作系统】内存管理——地址空间连续内存分配与非连续内存分配

内存管理——地址空间&连续内存分配与非连续内存分配

一、地址空间
- 1.1 计算机存储层次
- 1.2 地址和地址空间
- 1.3 虚拟存储的作用
二、内存分配
- 2.1 静态内存分配
- 2.2 动态内存分配
三、连续内存分配
- 3.1 动态分区分配
- 3.2 伙伴系统（Buddy System）
四、非连续内存分配
- 4.1 段式存储管理
- 4.2 页式存储管理
- 4.3 页表
- 4.4 段页式存储管理

一、地址空间

1.1 计算机存储层次

基本要求： 一个进程需要一块存储时分配，完成工作后收回
基本结构： 首先分为物理存储和逻辑存储。

物理地址(PA, Physical Address) ：用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和CPU连接的地址总线相对应。
逻辑地址(LA, Logical Address) ：CPU执行机器指令时，用来指定一个操作数或者是一条指令的地址。也是用户编程时使用的地址。

计算机的存储层次结构图：
物理存储可以从计算机体系结构的三个重要模块入手：CPU、内存和IO

计算机的存储多层结构图：
大体的调用关系如下，首先要考虑最为快速的缓存，其存取速度与CPU主频相同。缓存的使用是我们所不能意识到的，因为其依靠硬件实现。但内存和虚存是我们需要在操作系统当中操作的。

操作系统对内存资源的抽象图：
逻辑地址空间：物理地址如果交由计算机或许是可以方便使用的，但是对于人来说，并不容易记忆理解和使用。我们希望我们各个进程使用的存储都相对性地低耦合，有一个比较清晰的逻辑结构。把线性的物理地址编号转换为抽象的逻辑内存结构的管理机制是MMU（内存管理单元）

内存管理的目标

抽象：逻辑地址空间
保护：独立地址空间
共享：访问相同内存
虚拟化：更大都地址空间

操作系统中的内存管理方式：

重定位(relocation)
分段(segmentation)
分页(paging)
虚拟存储(virtual memory/storage)

1.2 地址和地址空间

地址空间的定义

物理地址空间 —— 硬件支持的地址空间（address：[0, Max_sys]）
逻辑地址空间 —— 一个运行在程序所拥有的的内存范围（address：[0, Max_prog]）

逻辑地址的生成
主要步骤： 编译、汇编、链接、重定位

.c file 函数位置、变量名即逻辑地址。
.s file 汇编语言中更加贴近机器语言，但是依然用符号代表变量名字。
.o file 机器语言中，起始地址都是从0开始的，把变量名转换为地址。
linker把多个.o file变成一个单一的.exe file。
.exe file 中，地址已经做了全局的分布，不同的.o file程序的地址在单一程序中已经有各自的定义。
.exe file 通过loader放到内存中运行，会有一定的偏移量，所以程序依照偏移量来进行正确数据的访问和指令的操作。

物理地址生成

CPU根据指令，查找逻辑地址的物理地址在什么地方
根据什么查找？MMU（内存管理单元）将逻辑地址映射到物理地址

1.3 虚拟存储的作用

1. 外存的缓存： 虚拟内存可作为外存的缓存

常用数据放在物理内存中
不常用数据放在外存
运行的程序直接用虚存地址，不用关注具体放在物理内存还是外存

2. 简化应用编译和加载运行： 每个运行程序具有独立的地址空间，而不管代码和数据在物理内存的实际存放，从而简化：

编译的执行程序链接
操作系统的执行程序加载
共享：动态链接库、共享内存
内存分配：物理不连续，虚拟连续

3. 保护数据： 虚拟内存可保护数据

独立的地址空间使得区分不同进程各自内存变得容易
地址转换机制可以进行可读/可写/可执行的检查
地址转换机制可以进行特权级检查

二、内存分配

运行应用所占内存按存储数据特 征划分成多个段(Segment)
内存分配方式

静态内存分配
动态内存分配
- 连续内存分配
- 非连续内存分配

2.1 静态内存分配

参考博文：linux下，程序各个部分对应的段位置，图说 bss段 text段 data段 rodata段栈堆

静态内存分配是指编译时的内存分配

包括全局变量、静态变量和代码段
位于全局/静态数据段、常量数据段、代码段

下面从低地址到高地址，先分别说明下每个段的意义：

1.受保护区： 受保护区，是用户不能访问的地址，受系统保护，一般为 0-4k，我们平时写程序的初始化一个指针，

char *p = NULL;

这个NULL就是指向的受保护区，0 地址。

2. 代码段：主要存放用户编写的业务逻辑程序、算法等，这里的地址是绝对地址，因此如果有链接动态库，是放在共享库中的。

3. rodata段： .rodata段是只读数据段，比如我们用const修饰的值就是放在这个区域的。

const int a[] = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];

4. data段： .data段是数据段，存放了已经初始化的全局变量，以及已初始化全局静态变量，已初始化的局部静态变量等。

int g_init_v = 1;
static int static_init_v = 1;
static int static_uinit_v;

初始化的全局变量，已经初始化和未初始化的静态变量都在这个段，初始化的局部静态变量。

5.bss段： .bss段是未初始化的全局变量以及未初始化的静态局部变量。

int g_uinit_v;

6.堆： 程序员可以用来分配内存的空间，使用malloc分配。

/* mallloc */
int *malloc_v = malloc(10);

在创建进程的时候，会为进程分配多大的堆。

7.共享库： 共享库，在调用了共享库的可执行程序里面，共享库放在这个位置。

8.栈： 栈，程序执行过程中，程序用来存放临时变量和函数返回值的区域（局部变量、函数）。由系统分配和回收，在进程创建的时候，每个进程/线程都有自己独立的栈空间。

9.命令行和环境变量： 就是我们linux的环境变量env，命令行参数，比如

int main(int argc, char *argv[])

这里面argv所带的参数。

利用下面的例子说明

2.2 动态内存分配

动态内存分配是指运行时的内存分配

栈(stack)
- 局部变量
堆(heap)
- malloc()函数分配内存
- free()函数释放内存

1. 堆和栈的内存分配

栈由编译器管理：隐式分配
堆的分配和释放由程序员管理：显式分配

2. 分配大小

栈是由高地址向低地址生长的数据结构，是一块连续的内存，能从栈中获得的内存较小，编译期间确定大小；
堆是由低地址向高地址生长的数据结构，是一个不连续的储存空间，内存获取比较灵活，也较大

3. 动态内存分配函数 malloc()

malloc()函数: void * malloc (size_ t size);
- 申请一块size大小的连续堆内存
- 函数返回值是一个指针，指向刚分配的内存首地址
- 如果申请内存失败，返回一个空指针，即返回值为NULL
动态内存的分配和释放必须成对使用
- 如果malloc()比free()多，会造成内存泄漏
- 如果malloc()比free()少，会造成二次删除，破坏内存，导致程序崩溃

4. 动态内存回收函数free()

free()函数：void free (void *ptr)
- 释放指针变量在堆区上的内存空间
- 不能释放栈上的内存空间
- free()要与malloc()成对使用

三、连续内存分配

3.1 动态分区分配

1. 连续内存分配： 给应用分配一块不小于指定大小的连续的内存区域

内存碎片： 不能被利用的空闲内存

外碎片： 分配单元间未被使用内存
内碎片： 分配单元内部未被使用内存

2. 动态分区分配： 当程序被加载执行时，分配一个进程指定大小可变的分区(块、内存块)，并且分区的地址是连续的

操作系统需要维护的数据结构

所有进程的已分配分区
空闲分区(Empty-blocks)

3. 动态分区分配策略
（1）最先匹配(First-fit)：在内存中找到第一个比需求大的空闲块，分配给应用程序

（2）最佳匹配(Best-fit)：在内存中找到最小、最适合的空闲块，分配给应用程序

（3）最差匹配(Worst-fit)：在内存中找到最大的空闲块，分配给应用程序

动态分区方式对比表

动态分区方式	原理&实现	优势	劣势
最先匹配	1. 空闲分区列表按地址顺序排序 2. 分配需要寻找一个合适的分区 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区	简单在高地址易于产生更大空闲块	外部碎片分配大块时间较慢
最佳匹配	1. 分配需要寻找一个合适的分区 2. 空闲分区列表按照大小排序（从小到大） 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区	比较简单可减小外碎片大小避免大的空闲分区拆分大部分是小尺寸时高效	外部碎片 & 释放分区慢易产生很多无用小碎片
最差匹配	1. 分配时，选最大分区 2. 空闲分区列表按由大到小排 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区	避免出现太多的小碎片大部分分配是中尺寸时高效	外部碎片 & 放分区慢大空闲块易破碎，大分区无法被分配

三种分配方式并无优劣之分，因为我们无法判断内存请求的大小。

4. 碎片整理
可以看到的是，三种分区动态分配的方式都会产生外部碎片，因此我们可以对碎片进行一定的整理来解决碎片问题，通过调整进程占用的分区位置来较少会避免分区随便

（1）紧凑： 通过移动分配给进程的内存分区，以合并外部碎片
紧凑条件： 所有的应用程序可动态重定位

（2）分区对换

运行程序需要更多的内存时，抢占等待的程序并回收它们的内存，以增大可用内存空间
早期linux/unix分区对换过程：充分运用内存的做法，只有一个进程可以在内存中运行的状态下，可以对换来实现多进程的交替运行

3.2 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统比较好的折中了分配和回收过程当中合并和分配块位置的碎片问题。

1. 分区大小

可分配分区的大小 2^U
待分配分区的大小为2^(U-1) ＜ s ≤ 2^U，把整块分配给应用
待分配分区的大小为 s ≤ 2^(i-1)，
- 将大小为 2ⁱ 的当前空闲分区划分成两个大小为 2^i-1空闲分区
- 重复划分过程，直到2^(i-1) ＜ s ≤ 2ⁱ ，把一个空闲分区分配出去