3. 操作系统—物理内存管理

小呆鸟
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💝操作系统物理内存管理

  • 计算机体系结构/内存分层体系
  • 地址空间&地址生成
  • 连续内存分配

🎍1. 计算机体系结构/内存分层体系

🎉1.1 计算机体系结构

  • CPU
  • 内存
  • IO

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🎉1.2 内存层次结构

  • 内存层次结构：CPU访问内存的指令或数据所处的具体位置。 1660983210545.png

从CPU寄存器到磁盘，读写速度不断降低，存储数据容量大小不断增大。

  • 运行内存（主存）：主存是在程序运行时所需要保存的数据空间
  • 磁盘（虚拟内存）：用于持久化数据保存的空间
  • CPU可以访问的内存包括两大类 : 寄存器 / cache(L1缓存 / L2缓存) （操作系统不可以访问这俩部分）

CPU访问的层次 |___CPU寄存器/L1缓存 |___L2缓存 |___主存（程序访问） |___磁盘（程序访问）

🎉1.2 内存管理目标

  • 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：更多的地址空间

有俩个地址空间：物理空间和逻辑空间 主存是一种物理地****址空间，程序是一种逻辑地址空间

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🎉1.3 内存管理方法

  • 程序重定位
  • 分段
  • 分页
  • 虚拟内存
  • 按需分页虚拟内存

实现高度依赖于硬件

  • 内存结构
  • MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问要求

操作系统是一个软件，在完成上述功能时，同时需要依赖硬件

🎍2. 地址空间 & 地址生成

  • 地址空间定义
  • 地址生成
  • 地址安全检查

🎉2.1 地址空间的定义

  • 物理地址空间：硬件支持的地址空间，包括主存和硬盘（虚拟内存）
  • 逻辑地址空间：一个运行在程序所拥有的的内存范围，地址空间是一维的
  • 逻辑地址空间和物理地址空间有映射关系，这是靠OS来维持的,每一个逻辑空间都有对应的物理地址空间，可能对应内存也可能对应硬盘 1660983324908.png

逻辑地址生成 1660983350802.png

  • 逻辑地址生成，.c程序经过编译得到.s文件，再经过汇编得到.o文件，此时变量名和函数名都会转换成从0开始的连续地址空间，然后再经过链接把多个.o文件生成.exe文件，此时因为链接了其他函数库，所以地址会产生偏移，从图中可以看到程序地址从0-75变成了0-175。链接产生的地址0-175就是逻辑地址。
  • 然后loader程序会把硬盘中的.exe文件加载到内存中运行。但是问题在于，假设另外一个程序的地址为0-200，那这两个程序因为地址冲突就不能一起执行了，为了解决这个问题，MMU会对程序的逻辑地址进行映射，转换成对应的物理地址。这样子，两个不同程序会映射到不同的物理地址上，避免冲突。所以程序加载时候会对逻辑地址进行重定位，转换成物理地址。

逻辑地址如何对应到物理地址

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  1. 当CPU执行某条指令，它的ALU需要这个程序的内容，带着参数（逻辑地址）
  2. CPU会查找这个逻辑地址的映射表MMU，是否存在对应的物理地址，如果没有就会到内存中的map中找
  3. 找到后，他会给主存发送请求，请求该物理地址的内容
  4. 主存灰浆内容通过总线传到CPU，然后CPU执行指令。

操作系统在此之前，需要建立逻辑地址和物理地址的映射关系，这个关系可以放到CPU，由内存缓存，加快访问过程

安全检查（程序之间不能干扰，确保程序访问合法）

  • 操作系统确保每一个程序有效访问的地址空间（起始地址+偏移量）
  • CPU执行指令会查找MAP，MAP会指出访问的逻辑地址，看逻辑地址是否满足该限制（当超出该长度，就是不合法访问，这是OS来维护的），当不满足CPU就会产生一个系统异常，让OS进一步处理 1660983446098.png

🎍3. 连续内存分配

  • 内存碎片问题
  • 分区的动态分配
    • 第一适配
    • 最佳适配
    • 最差适配
  • 压缩式碎片整理
  • 交换式碎片整理

🎉3.1 内存碎片问题

  • 内存碎片：给运行程序分配一块空间后，会出现一部分无法利用的空间。
  • 内存碎片分为：外部碎片和内部碎片
    • 外部碎片：在分配单元之间无法使用的内存
    • 内部碎片：已经分配给了应用程序，但是它无法使用，单元分配之内，无法使用

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🎉3.2 分区的动态分配

  • 程序从硬盘加载到内存，需要为他分配一块连续的空间
  • 程序在运行过程中需要访问数据，为他的数据分配内存

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🔔3.2.1 首次适配

  • 在内存中找到第一个比需求大的空闲块, 分配给应用程序

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🔔3.2.2 最优适配

  • 寻找整个空间块中，最适合满足需求的空间块（在内存中找到最小的空闲块, 分配给应用程序）

相比首次适配

  1. 为了避免份分割大的空间块
  2. 为了最小化外部碎片产生的尺寸

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🔔3.2.3 最差适配

  • 在内存中找到最大的空闲块, 分配给应用程序

为了避免太多的微小的碎片 1660983600178.png

🔔3.2.4 3种分配策略区别

分配方式第一匹配分配最优适配分配最差适配分配
分配方式实现需求1. 按地址排序的空闲块列表 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1. 按尺寸排序的空闲块列表 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1. 按尺寸排序的空闲块列表 2. 分配最大的分区 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区
优势简单 / 易于产生更大空闲块比较简单 / 大部分分配是小尺寸时高效分配很快 / 大部分分配是中尺寸时高效
劣势产生外部碎片 / 不确定性产生外部碎片 / 重分配慢 / 产生很多没用的微小碎片产生外部碎片 / 重分配慢 / 易于破碎大的空闲块以致大分区无法被分配

这三种都是一些简单的内存管理算法，没有优劣，因为操作系统的分配是随机的。

🎉3.3 压缩式碎片整理

将运行程序所在的内存，在内存中移来移去，使得空闲的块变得连续

  1. 压缩式碎片整理
  • 重置程序以合并碎片
  • 要求所有程序是动态可重置的
  • 问题 :
    • 何时将程序重置 ? (在程序处于等待状态时才可以重置)
    • 需要考虑内存拷贝的开销

主要是利用软件，来进行程序重置 1660983624177.png

🎉3.4 交换式碎片整理

把当前没有运行的程序，把它所占的空间放在硬盘上，从而空出更多的空闲空间

  • 运行程序需要更多的内存时，抢占等待的程序并且回收它们的内存

  • 问题 :

    • 哪些程序应该被换入换出 ?
    • 什么时候进行换入和换出
    • 而且换入换出是以单个程序的大小为力度，此时开销大

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