1. 功能
內存管理實現的功能：
- 抽象：邏輯地址空間
- 保護：獨立地址空間
- 共享：訪問相同內存
- 虛擬化：更大的地址空間
2. 管理方式
2.1 重定位
使用基址寄存器和界限寄存器，程序的起始物理地址裝載到基址寄存器中，程序的長度裝載到界限寄存器中。尋址時，地址=基址+偏移。
2.2 分段
將內存分爲堆、堆棧、數據段、代碼段等。
2.3 分頁
- 頁幀（幀、物理頁面、Frame、Page Frame）
- 頁面（頁、邏輯頁面、Page）
- 頁表：頁到幀的映射，邏輯地址中的頁號是連續的，物理地址中的幀號是不連續的，不是所有的頁都有對應的幀，每個進程都有一個頁表，隨進程運行狀態而動態變化。
分頁帶來的問題：
- 內存訪問性能問題：訪問一個內存單元需要兩次內存訪問。
- 頁表大小問題：頁表可能非常大。
處理方法：
- 快表：緩存
- 多級頁表
- 反置頁表（倒排頁表）：實際內存中每個頁幀對應一個表項，用虛擬地址進行散列
2.4 段頁式
段式存儲在內存保護方面有優勢，頁式存儲在內存利用和優化轉移到後備存儲方面有優勢。段頁式是在段式存儲的管理基礎上，給每個段加一級頁表。
這種方式通過指向相同的頁表基址，容易實現進程間的內存共享。
2.5 虛擬存儲
2.5.1 基本特徵
- 不連續：物理內存分配非連續；虛擬地址空間使用非連續。
- 大用戶空間：提供給用戶的虛擬內存可大於實際的物理內存。
- 部分交換：只對部分虛擬地址空間進行調入和調出。
2.5.2 缺頁異常（中斷）的處理流程
- A.在內存中有空閒的物理頁面時，分配一物理頁幀 f，轉第 E 步
- B.依據頁面置換算法選擇將被替換的物理頁幀 f，對應邏輯頁 q
- C.如 q 被修改過，則把它寫回外存
- D.修改 q 的頁表項中的駐留位爲 0
- E.將需要訪問的頁 p 裝入到物理頁面 f
- F.修改 p 的頁表駐留位爲 1，物理幀號爲 f
- G.重新執行產生缺頁的指令
2.5.3 頁面置換算法
2.5.3.1 局部頁面置換算法
置換頁面的選擇範圍僅限於當前進程佔用的物理頁面內。
1. 最優算法（OPT，optimal）
思路：置換在未來最長時間不訪問的頁面。
實現：缺頁時，計算內存中每個邏輯頁面的下一次訪問時間，選擇未來最長時間不訪問的頁面。
特徵：
- 缺頁最少，是理想情況。
- 實際系統中無法實現，無法預知每個頁面在下次訪問前的等待時間。
- 可作爲置換算法的性能評價依據。
2. 先進先出算法（First-In First-Out，FIFO）
思路：選擇在內存中駐留時間最長的頁面進行置換。
實現：維護一個記錄所有位於內存中的邏輯頁面鏈表，鏈表元素按駐留內存的時間排序，鏈首最長，鏈尾最短。出現缺頁時，選擇鏈首頁面進行置換，新頁面加到鏈尾。
特徵：
- 實現簡單
- 性能較差，調出的頁面可能是經常訪問的
- 進程分配物理頁面數增加時，缺頁並不一定減少（Belady 現象）：採用 FIFO 等算法時，可能出現分配的物理頁面數增加，缺頁次數反而升高的異常現象。原因：FIFO 算法的置換特徵與進程訪問內存的動態特徵矛盾，被它置換出去的頁面並不一定是進程近期不會訪問的。
- 很少單獨使用
3. 最近最少使用算法（Least Recently Used，LRU）
思路：缺頁時，計算內存中每個邏輯頁面的上一次訪問時間，選擇上一次使用到當前時間最長的頁面。
實現：維護一個按最近訪問時間排序的頁面鏈表。
特徵：開銷比較大，每次訪問要更新鏈表。
4. 時鐘算法（Clock）
思路：僅對頁面的訪問情況進行大致統計。
數據結構：在頁表項中增加訪問位，描述頁面在過去一段時間的內存訪問情況，各頁面組織成環形鏈表，指針指向最先調入的頁面。
算法：訪問頁面時，在頁表項記錄頁面訪問情況，缺頁時，從指針處開始順序查找未被訪問的頁面進行置換。
實現：頁面裝入內存時，訪問位初始化爲 0，訪問頁面時，訪問位置 1。缺頁時，從指針當前位置順序檢查環形鏈表：訪問位爲 0，則置換該頁；訪問位爲 1，則訪問位置 0，並指針移動到下一個頁面，直到找到可置換的頁面。
特徵：
是 LRU 和 FIFO 的折中。
5. 改進的 CLock 算法
思路：減少修改頁的缺頁處理（寫入外存）開銷。
算法：在頁表項增加修改位，並在訪問時進行相應修改。缺頁時，修改頁面標誌位，以跳過有修改的頁面。
6. 最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）
思路：缺頁時，置換訪問次數最少的頁面。
實現：每個頁面設置一個訪問計數，訪問頁面時，訪問計數加 1 ，缺頁時，置換計數最小的頁面。
特徵：
- 開銷大。
- 開始時使用頻繁，但以後不使用的頁面很難置換。解決方法：計數定期右移。
LRU、FIFO 和 Clock 的比較
- LRU 和 FIFO 本質上都是先進先出的思路：LRU 依據頁面的最近訪問時間排序；FIFO 依據頁面進入內存的時間排序。
- LRU 需要動態地調整順序，FIFO 的頁面進入時間是固定不變的。
- LRU 可退化成 FIFO：如頁面進入內存後沒有被訪問，最近訪問時間與進入內存的時間相同。
- LRU 算法性能較好，但系統開銷大；FIFO 算法系統開銷較小，但會發生 Belady 現象。
- Clock 算法是它們的折中，頁面訪問時，不動態調整頁面在鏈表中的順序，僅做標記，缺頁時，再把它移動到鏈表末尾。
- 對於未被訪問的頁面，Clock 和 LRU 算法的表現一樣好。對於被訪問過的頁面，Clock 算法不能記錄準確訪問順序，而 LRU 算法可以。
2.5.3.2 全局頁面置換算法
置換頁面的選擇範圍是所有可換出的物理頁面，爲進程分配可變數目的物理頁面。進程在不同階段的內存需求是變化的，分配給進程的內存也需要在不同階段有所變化。全局置換算法需要確定分配給進程的物理頁面數。
CPU 利用率與併發進程數的關係：
- 進程數少時，提高併發進程數，可提高 CPU 利用率。
- 併發進程導致內存訪問增加。
- 併發進程的內存訪問會降低訪存的局部性特徵。
- 局部性特徵的下降會導致缺頁率上升和 CPU 利用率下降。
工作集：一個進程當前正在使用的邏輯頁面集合，可表示爲二元函數W(t,△)，t 是當前的執行時刻，△ 稱爲工作集窗口，即一個定長的頁面訪問時間窗口。
常駐集：在當前時刻，進程實際駐留在內存當中的頁面集合。
1. 工作集算法
換出不在工作集中的頁面。
2. 缺頁率算法
缺頁率=缺頁次數 / 內存訪問次數 或 缺頁平均時間間隔的倒數。
通過調整常駐集大小，使每個進程的缺頁率保持在一個合理的範圍內。