外部碎片

当应用程序启动时，由操作系统负责给该应用程序分配其内存空间，假设此时启动了三个应用程序，操作系统分别给其分配了100m，10m和50m的内存，内存情况如下图

此时如果程序B下线，程序A和程序C之间便会空出10m内存，此时如果没有10m以下的应用启动来填充这部分内存，那么这部分内存资源便会被浪费。

 

这便是内存的外部碎片问题，为了解决内存的外部碎片问题，操作系统使用页式内存管理方式，尽可能减少外部碎片的大小（无法完全清除），通过将内存分为大小一致的内存页，将一个应用程序拆开，存储在不同页中，当下电脑64位和32位就是根据分页大小不同定义的（分别时8k和4k）。

页式存储

操作系统将内存分配8k或4k大小的内存页，我们这里称其位物理内存页，当一个应用程序启动时，操作系统将不会在刻意的给其分配连续的内存空间，而是随机分配给应用程序不一定是连续的内存页。

通过这样操作，外部碎片的问题是解决了，不过散落在内存各处的应用程序碎片，cpu执行时该如何寻找呢？操作系统提供了页表结构。

首先，应用程序内部使用一种虚拟地址。虚拟地址是连续的，其中高位表示当前物理内存页的页号，而低位则表示当前物理内存也中，当前地址距离当前物理内存页的物理页框号（物理内存页的第一行的真实物理地址）的偏移量。而页表内部则是记录页号和物理页框号的位置。

当cpu执行当前应用程序的机器码时，首先它会根据连续的虚拟地址去页表中查找真实的物理内存页，再通过低位去找到物理内存页的对应偏移量的真实物理地址。

 通过这种方式，将应用程序所需内存拆分为8k大小，分配给内存中8k大小的页，然后通过页表记录虚拟地址和真实物理地址之见的映射关系，可以很好的解决外部碎片问题，外部碎片最大不会超过8k。不过内存可以分为大量8k大小的物理内存页，通过页表记录这些大量的内存页，也需要大量的内存控制，这些内存空间也注定会超过8k，所以即使是页表，也需要进行分页，这就是多级页表。

多级页表将页表拆分为多个8k大小，分配8k物理内存页，在由另一个页表记录当前页表的虚拟地址和真实物理地址的关系，通过一个操作系统，需要三四级页表，才能记录全部页表信息。

动态内存分配及页表生成

操作系统会分配给一个应用程序固定的内存大小，即使是页式内存管理下也不例外。但一个应用程序通常不会完全使用操作系统分配的内存，当操作系统为应用程序没有使用的内存分配物理内存页时，便会造成内存浪费。

为了解决这个问题，操作系统采用不给应用程序未使用的空间分配物理内存页，甚至页表的初始状态只有第一级的页表，页表内部也只有虚拟地址没有与其映射的页框地址，以及程序的第一行物理地址等，其余大部分页表信息都是在访问程序时才对页表进行填充。

当cpu需要执行应用程序的机器码时，需要通过页表查询真实物理地址，第一次访问时页表并没有记录相关信息，此时会触发页面错误。操作系统在捕捉到这个错误后，会跳转到应用程序的内核态，获取对应的页框填充页表信息，也就是说只有当页面虚拟地址被访问时，其页表中的虚拟地址映射的页框才会被填充。

其中空闲区域的虚拟地址也会在页表中体现，不过多级页表中，记录虚拟地址的页表也是动态生成的，所以连续的空闲区域的虚拟地址实际上并不会访问，也就不会生成对应页表，对应页表的内存资源也会被节省。

TLB缓存

一个应用程序所占使用的物理地址极多，每次执行对应地址的机器码，都需要区页表中查找，页表保存在内存中，虽然内存的访问速度较快，不过在执行程序过程中，需要大量的访问页表，内存的访问速度也无法保证程序的快速运行，所以我们需要一个IO速度更快的存储单位。

TLB缓存是CPU上的硬件单元，TLB缓存的IO速度极快，是内存的几十倍到一百倍，访问速度接进于寄存器，不过其存储空间仍然有限，不足以存下整个页表，所以他只能存储部分页表，当CPU访问页表时，会首先访问TLB缓存，如果存在虚拟地址和页框的对应关系，则直接使用，如果没有则取访问页表，并将本次访问的虚拟地址和页框关系记录在TLB中，替换掉旧的记录。

所以我们在日常写代码应该尽量连续访问连续内存数据，这样可以尽量使两个机器码在同一物理内存页中，提高TLB的命中率，进而提高程序性能。