本文是
操作系統系列第三篇，介紹物理內存管理。操作系統對內存的管理是非常複雜的，和程序的執行、硬件、編譯器等密切相關。本文從物理內存入手，介紹內存管理的重要概念，也爲後續的虛擬內存管理內容做鋪墊。原文鏈接，更多內容見公號機器學習與系統，歡迎與我互動~
內存管理的需求
- 抽象，即給每個程序邏輯地址空間
- 保護，不同程序的地址空間互相隔離，無法越界訪問
- 共享，對於一些公共函數庫，可以只在內存中存一份，其它程序引用這一個庫即可
- 虛擬化，通過邏輯地址和虛擬內存，可以使用更大的地址空間
地址的概念
地址是用來標誌存儲資源位置的，在計算機中用一串二進制數據表示。
一. 地址空間
地址空間就是指地址的範圍，從最小值到最大值：
- 物理地址空間從0到物理內存的最大值：0~MAX_sys
- 邏輯地址空間從0到程序虛擬內存範圍的最大值：0~MAX_prog
下圖展示了物理地址空間，進程A、B的邏輯地址空間。
二. 地址生成
物理地址是已經確定的，邏輯地址的生成依賴於編譯器。
- 編譯：將高級語言編譯成彙編語言。假設此時此時地址已知，如果起始地址改變，必須重新編譯
- 彙編：將彙編語言翻譯長機器能夠識別的二進制代碼，裏面的地址是該程序執行時，對應地址空間中的位置
- 鏈接：將程序執行需要的函數庫鏈接到可執行文件中，更新地址空間
- 加載：將函數加載到內存中時根據程序塊在內存中的位置更新
邏輯地址空間內的地址(重定位) - 執行：執行代碼時，程序在內存中可能會移動，這裏需要地址轉換(映射)支持
三. 地址解析
下圖是CPU和計算機的基本架構，我們以此圖來說明物理/邏輯地址在CPU和計算機中如何被解析處理的。
- 首先，CPU中的算數邏輯單元看到的都是邏輯地址
- 當CPU需要把數據寫入內存或從內存中讀取時，MMU會把邏輯地址轉換成對應的物理地址
- 控制邏輯把數據、操作請求和物理地址發送到總線，分爲讀請求和寫請求
- 寫請求，則把數據寫入內存
- 讀請求，則把數據從內存中讀取發送給CPU
在上面的過程中，MMU負責邏輯地址和物理地址之間的轉換，操作系統負責建立邏輯地址和物理地址之間的映射關係。
連續內存分配
基本概念
- 連續內存分配：給程序分配一塊連續內存區域
- 內存碎片：內存上一些沒有被分配利用的區域
- 內部碎片：某個程序分配的內存沒有充分利用。是否產生取決於分配算法，比如分配的內存大小是否要取整
- 外部碎片：被分配的內存區域之間沒的的空閒區域
- 碎片整理：通過調整進程佔用的內存區域位置來減少或避免分區碎片
- 碎片緊湊：通過移動分配給進程的內存區域，以合併外部碎片。要求運行的程序都可以動態重定位
動態分配
當程序被加載時，根據進程的實際需要動態分配內存空間，使分配的大小剛好與作業的大小相等。動態分區分配並不預先將內存劃分成一塊塊分區，而是在程序進入內存時，根據程序的大小動態地建立分區，因此係統中分區的大小是可變的，分區的數目也是可變的。
有以下三種分配策略：
-
最先匹配(First-fit)：分配N個字節，
使用第一個可用空間比N大的內存塊。如分配400 byte的內存塊，按照從上到下的查找順序，應該分配1K byte內存區域。如果是從下往上查找，應該分配5K byte的區域。 -
最佳匹配(Best-fit)：分配N字節分區時，
查找並使用不小於N的最小空閒分區。如果要分配2800 byte，應該分配3K byte區域。 -
最差匹配(Worst-fit)：分配N字節，
使用尺寸不小於N的最大空閒分區。如果分配800 byte，則選擇5K byte區域。
上述三種分區算法，在釋放分區時，都要檢查是否能和周圍的分區合併。
非連續內存管理
連續內存分配會出現內/外部碎片、動態修改比較困難、內存必須連續，而且內存利用率不高。因此提出了非連續內存分配的方法，允許程序使用非連續的內存空間、允許共享代碼和數據，以提高內存利用效率和管理的靈活性。
當然，這也帶來了挑戰：非連續內存分配中，如何有效實現和管理邏輯地址和物理地址間的映射。
下面介紹三種方式：
- 段式存儲管理(segmentation)
- 頁式存儲管理(paging)
- 段頁式存儲管理(上面兩者的綜合)
段式存儲管理
段(segment)指一類地址空間，一個段就是一個地址連續的內存塊，若干個段組成程序的邏輯地址空間。
每個段由0到最大的線性地址序列構成。各個段的長度可以是0到某個允許的最大值之間的一個數。不同的段的長度可以不同(通常情況下也都不一樣)，段的長度在運行期間可以動態改變，比如push數據時，堆棧段的長度會增加，pop時會減少。段也可以被裝滿，但是通常情況下段的長度很大，這種情況很少發生。
段式存儲管理下的邏輯地址組成格式爲(s, o)，s爲段號，o爲段內偏移量，段號和對應內存中的物理起始地址由段表記錄。尋址時，先根據段號到段表中查到物理起始地址(基址)，然後加上偏移量，得到最終的物理地址。
頁式存儲管理
頁式存儲管理有兩個至關重要的概念：
- 物理頁幀(Frame | Page Frame | 幀 | 頁幀)：把物理地址空間分成大小相同的基本單位。大小爲2^n，如512/4096等。
- 邏輯頁面(Page | 頁)：把邏輯地址空間劃分爲相同大小的基本單位
- 頁幀大小和頁面大小必須一致
頁式存儲管理的尋址方式和段式管理類似，邏輯地址格式爲(p, o)，表示頁中的地址，其中p表示頁號，o表示偏移量。物理地址格式爲(f, o)，表示頁幀中的地址，其中f表示頁幀號，o表示偏移量，頁偏移量和頁幀偏移量是相等的。
頁和頁幀的對應關係使用**頁表(Page Table)**來管理。尋址時首先根據頁號找到頁表中對應的頁幀號，然後用得到的頁幀號與偏移量組成實際的物理地址。
頁面和頁幀的大小相比分段要小得多，假設系統是32位，頁幀大小1024字節，這樣有232/210=2^22條頁表記錄，查詢頁表的時間要多很多。下面介紹兩個提高性能的方法：
- 使用快表(Translation Look-aside Buffer, TLB)：直譯爲旁路快表緩衝，可以理解爲頁表緩衝。即在內存和CPU之間搭建頁表緩存，尋址時先到TLB中查找，未命中再到內存中的快表查找
- 多級頁表：(p1, p2, o)是兩級頁表的虛擬地址表示，先根據p1查找頁表1中的p2，再根據p2查詢真正的頁幀號，然後根據偏移地址o查到最終的物理地址
分段和分頁的比較
分頁和分段系統有許多相似之處。兩者都採用離散分配方式，且都要通過地址映射機構來實現地址變換。但在概念上兩者完全不同，主要表現在下述三個方面：
- 頁幀是信息的物理單位，分頁是爲了實現非連續分配，以便解決內存碎片問題, 提高內存的利用率。段是信息的邏輯單位，分段的目的是爲了能更好地滿足用戶的需要。
- 頁的大小固定且由系統決定，由系統把邏輯地址劃分爲頁號和頁內地址兩部分，是由機器硬件實現的，因而在系統中只能有一種大小的頁面。而段的長度卻不固定，決定於用戶所編寫的程序，通常由編譯程序在對源程序進行編譯時，根據信息的性質來劃分。
段式存儲和頁式存儲都是爲了更好管理內存，段式從程序的角度入手，頁式從物理底層的角度入手，在理解上，可以結合兩者的優缺點進行選擇：
| 分段 | 分頁 | |
|---|---|---|
| 優點 | 段長可動態修改，方便編程，分段共享，分段保護，動態鏈接，動態增長 | 非連續分配，減少內存碎片，提高內存利用效率 |
| 缺點 | 內部碎片，地址計算需要更多硬件支持 | 需要兩次內存訪問，頁表可能很大 |
段頁式存儲管理
段頁式存儲管理充分利用了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。
在段式存儲管理基礎上，給每個段加一級頁表。邏輯地址格式爲(s, p, o)，s爲段號，p爲頁號，o爲頁內偏移。尋址時，現根據段號s查找段表中的頁表地址，然後到頁表中查找p對應的起始地址，最後加上偏移o得到最終的物理地址。
總結
程序在執行時，CPU看到的是邏輯地址，當CPU讀寫數據時，由MMU根據邏輯地址找到對應的物理地址，然後到總線上讀寫數據。通過這種管理機制，可以更好地管理內存，在多道程序執行中做到隔離和共享。
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