文章笔记主要引用：
操作系统在对内存进行管理的时候需要做些什么?
- 操作系统负责内存空间的分配与回收。
- 操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充。
- 操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换。
- 操作系统需要提供内存保护功能。保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰
通过例子讲解逻辑地址转换为物理地址的基本过程
虚拟地址转化为物理地址是通过内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）来完成的。MMU是计算机系统中的硬件组件，负责虚拟地址和物理地址之间的转换。
在虚拟地址转换的过程中，通常会使用页表（Page Table）来进行映射。页表是一种数据结构，它将虚拟地址空间划分为固定大小的页（Page），对应于物理内存中的页框（Page Frame）。每个页表项（Page Table Entry）记录了虚拟页和物理页的对应关系。
当程序访问一个虚拟地址时，MMU会将虚拟地址分解为页号和页内偏移量。根据页号找到对应的页表项。页表项中包含了物理页的地址或页框号。最后，MMU将物理页的地址与页内偏移量组合，得到对应的物理地址。
逻辑地址VS物理地址
Eg:编译时只需确定变量x存放的相对地址是100 ( 也就是说相对于进程在内存中的起始地址而言的地址)。CPU想要找到x在内存中的实际存放位置，只需要用进程的起始地址+100即可。 相对地址又称逻辑地址，绝对地址又称物理地址。
交换空间与虚拟内存的关系
交换空间
Linux 中的交换空间（Swap space）在物理内存（RAM）被充满时被使用。如果系统需要更多的内存资源，而物理内存已经充满，内存中不活跃的页就会被移到交换空间去。虽然交换空间可以为带有少量内存的机器提供帮助，但是这种方法不应该被当做是对内存的取代。交换空间位于硬盘驱动器上，它比进入物理内存要慢。 交换空间可以是一个专用的交换分区（推荐的方法），交换文件，或两者的组合。 交换空间的总大小应该相当于你的计算机内存的两倍和 32 MB这两个值中较大的一个，但是它不能超过 2048MB（2 GB）。
虚拟内存
虚拟内存是文件数据交叉链接的活动文件。是WINDOWS目录下的一个"WIN386.SWP"文件，这个文件会不断地扩大和自动缩小。 就速度方面而言,CPU的L1和L2缓存速度最快，内存次之，硬盘再次之。但是虚拟内存使用的是硬盘的空间，为什么我们要使用速度最慢的硬盘来做 为虚拟内存呢？因为电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致我们只有可怜的256M/512M内存消耗殆尽。而硬盘空间动辄几十G上百G，为了解决这个问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用。
为什么分段式存储管理有外部碎片而无内部碎片？为什么固定分区分配有内部碎片而不会有外部碎片？
内存分段（分段式）管理可以做到段根据实际需求分配内存，所以有多少需求就分配多大的段，所以不会出现内部内存碎片。
但是由于每个段的长度不固定，所以会产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载，所以会出现外部内存碎片的问题。
内存分页（固定式分配）由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像内存分段一样，在段与段之间会产生间隙非常小的内存，采用了分页，页与页之间是紧密排列的，所以不会有外部碎片。
但是，因为内存分页机制分配内存的最小单位是一页，即使程序不足一页大小，我们最少只能分配一个页，内存分页机制会有内部内存碎片的现象。
如何消除碎片文件
对于外部碎片，通过紧凑技术消除，就是操作系统不时地对内存进行移动和整理。但是这需要动态重定位寄存器地支持，且相对费时。
解决外部内存碎片的问题就是内存交换。
可以把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。
回收内存时要尽可能地将相邻的空闲空间合并。
内存交换中，被换出的进程保存在哪里？
保存在磁盘中，也就是外存中。具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和交换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式;交换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在交换区。由于交换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式(学过文件管理章节后即可理解)。总之，交换区的I/O速度比文件区的更快。
内存交换和覆盖有什么区别？
交换技术主要是在不同进程（或作业）之间进行，而覆盖则用于同一程序或进程中。
内存的覆盖是什么？有什么特点？
由于程序运行时并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分（尤其是大程序），因此可以把用户空间分成为一个固定区和若干个覆盖区。将经常活跃的部分放在固定区，其余部分按照调用关系分段，首先将那些即将要访问的段放入覆盖区，其他段放在外存中，在需要调用前，系统将其调入覆盖区，替换覆盖区中原有的段。
覆盖技术的特点：是打破了必须将一个进程的全部信息装入内存后才能运行的限制，但当同时运行程序的代码量大于主存时仍不能运行，再而，大家要注意到，内存中能够更新的地方只有覆盖区的段，不在覆盖区的段会常驻内存。
内存交换是什么？有什么特点？
交换(对换)技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存(进程在内存与磁盘间动态调度)
换入：把就绪的程序从辅存移到内存。 换出：把处于等待状态（或CPU调度原则下被剥夺运行权力）的程序从内存移到辅存，把内存空间腾出来。
什么时候会进行内存的交换？
内存交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如:在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程;如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
内存交换你知道有哪些需要注意的关键点吗？
- 交换需要备份存储，通常是快速磁盘，它必须足够大，并且提供对这些内存映像的直接访问。
- 为了有效使用CPU，需要每个进程的执行时间比交换时间长，而影响交换时间的主要是转移时间，转移时间与所交换的空间内存成正比。
- 如果换出进程，比如确保该进程的内存空间成正比。
- 交换空间通常作为磁盘的一整块，且独立于文件系统，因此使用就可能很快。
- 交换通常在有许多进程运行且内存空间吃紧时开始启动，而系统负荷降低就暂停。
- 普通交换使用不多，但交换的策略的某些变种在许多系统中（如UNIX系统）仍然发挥作用。
虚拟内存的目的是什么？
虚拟内存的目的是为了让物理内存扩充成更大的逻辑内存，从而让程序获得更多的可用内存。
为了更好的管理内存，操作系统将内存抽象成地址空间。每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。
这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。当程序引用到不在物理内存中的页时，由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
从上面的描述中可以看出，虚拟内存允许程序不用将地址空间中的每一页都映射到物理内存，也就是说一个程序不需要全部调入内存就可以运行，这使得有限的内存运行大程序成为可能。
例如有一台计算机可以产生 16 位地址，那么一个程序的地址空间范围是 0~64K。该计算机只有 32KB 的物理内存，虚拟内存技术允许该计算机运行一个 64K 大小的程序。
程序从堆中动态分配内存时，虚拟内存上怎么操作的
页表：是一个存放在物理内存中的数据结构，它记录了虚拟页与物理页的映射关系
在进行动态内存分配时，例如malloc()函数或者其他高级语言中的new关键字，操作系统会在硬盘中创建或申请一段虚拟内存空间，并更新到页表（分配一个页表条目（PTE），使该PTE指向硬盘上这个新创建的虚拟页），通过PTE建立虚拟页和物理页的映射关系。
如果系统中具有快表后，那么地址的转换过程变成什么样了？
①CPU给出逻辑地址，由某个硬件算得页号、页内偏移量，将页号与快表中的所有页号进行比较。
②如果找到匹配的页号，说明要访问的页表项在快表中有副本，则直接从中取出该页对应的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此，若快表命中，则访问某个逻辑地址仅需一次访存即可。
③如果没有找到匹配的页号，则需要访问内存中的页表，找到对应页表项，得到页面存放的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此,若快表未命中，则访问某个逻辑地址需要两次访存(注意:在找到页表项后，应同时将其存入快表,以便后面可能的再次访问。但若快表已满，则必须按照-定的算法对旧的页表项进行替换)
内存分布
- 代码段，包括二进制可执行代码；
- 数据段，包括已初始化的静态常量和全局变量；
- BSS 段，包括未初始化的静态变量和全局变量；
- 堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长；
- 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关 (opens new window)）；
- 栈段，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是
8 MB。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；
上图中的内存布局可以看到，代码段下面还有一段内存空间的（灰色部分），这一块区域是「保留区」，之所以要有保留区这是因为在大多数的系统里，我们认为比较小数值的地址不是一个合法地址，例如，我们通常在 C 的代码里会将无效的指针赋值为 NULL。因此，这里会出现一段不可访问的内存保留区，防止程序因为出现 bug，导致读或写了一些小内存地址的数据，而使得程序跑飞。
从堆和栈上建立对象哪个快？（考察堆和栈的分配效率比较）
从两方面来考虑：
-
分配和释放，堆在分配和释放时都要调用函数（malloc,free)，比如分配时会到堆空间去寻找足够大小的空间（因为多次分配释放后会造成内存碎片），这些都会花费一定的时间，具体可以看看malloc和free的源代码，函数做了很多额外的工作，而栈却不需要这些。
-
访问时间，访问堆的一个具体单元，需要两次访问内存，第一次得取得指针，第二次才是真正的数据，而栈只需访问一次。另外，堆的内容被操作系统交换到外存的概率比栈大，栈一般是不会被交换出去的。
一个由C/C++编译的程序占用的内存分为哪几个部分？
1、栈区（stack）— 地址向下增长，由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的数据结构中的栈，先进后出。
2、堆区（heap）— 地址向上增长，一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
3、全局区（静态区）（static）—全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放
4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。程序结束后由系统释放
5、程序代码区(text)—存放函数体的二进制代码。
常见内存分配方式有哪些？
内存分配方式
（1） 从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量，static变量。
（2） 在栈上创建。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。
（3） 从堆上分配，亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定，使用非常灵活，但问题也最多。
一般情况下在Linux/windows平台下栈空间的大小
Linux环境下有操作系统决定，一般是8MB，8192KB，通过ulimit命令查看以及修改
Windows环境下由编译器决定，VC++6.0一般是1M
动态分区分配算法有哪几种？可以分别说说吗？
1、首次适应算法
算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第–个能满足大小的空闲分区。
如何实现：空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链( 或空闲分表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
2、最佳适应算法
算法思想:由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区,即，优先使用更小的空闲区。
如何实现:空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第-一个空闲分区。
3、最坏适应算法
又称最大适应算法(Largest Fit)
算法思想:为了解决最佳适应算法的问题—即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用。
如何实现:空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第-一个空闲分区。
4、邻近适应算法
算法思想：首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
如何实现：空闲分区以地址递增的顺序排列(可排成一个循环链表)。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
5、总结
首次适应不仅最简单，通常也是最好最快，不过首次适应算法会使得内存低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次查找都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。邻近算法试图解决这个问题，但实际上，它常常会导致在内存的末尾分配空间分裂成小的碎片，它通常比首次适应算法结果要差。
最佳导致大量碎片，最坏导致没有大的空间。
进过实验，首次适应比最佳适应要好，他们都比最坏好。
| 算法 | 算法思想 | 分区排列顺序 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 首次适应 | 从头到尾找适合的分区 | 空闲分区以地址递增次序排列 | 综合看性能最好。算法开销小，回收分区后一.般不需要对空闲分区队列重新排序 | |
| 最佳适应 | 优先使用更小的分区，以保留更多大分区 | 空闲分区以容量递增次序排列 | 会有更多的大分区被保留下来，更能满足大进程需求 | 会产生很多太小的、难以利用的碎片;算法开销大，回收分区后可能需要对空闲分区队列重新排序 |
| 最坏适应 | 优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用的碎片 | 空闲分区以容量递减次序排列 | 可以减少难以利用的小碎片 | 大分区容易被用完，不利于大进程;算法开销大(原因同上) |
| 邻近适应 | 由首次适应演变而来，每次从上次查找结束位置开始查找 | 空闲分区以地址递增次序排列(可排列成循环链表) | 不用每次都从低地址的小分区开始检索。算法开销小(原因同首次适应算法) | 会使高地址的大分区也被用完 |
抖动你知道是什么吗？它也叫颠簸现象
刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动，或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数(分配给进程的物理块不够)
为进程分配的物理块太少，会使进程发生抖动现象。为进程分配的物理块太多，又会降低系统整体的并发度，降低某些资源的利用率 为了研究为应该为每个进程分配多少个物理块，Denning 提出了进程工作集” 的概念
进程工作集
对每一个进程，虚拟内存管理器为防止颠簸，都会将其一定量的内存页驻留在物理内存中。并跟踪其执行的性能指标，动态调整这个数量。Win32中驻留在物理内存中的内存页称为进程的"工作集"（workingset），进程的工作集可以通过"任务管理器"查看，其中"内存使用"列即为工作集大小。
进程初始时只有很少的代码页和数据页被调入内存。当执行到未被调入内存的代码或者访问到尚未调入内存的数据时，这些代码页或者数据页会被调入物理内存，工作集也随之增长。但工作集不能无限增长，系统为每个进程都定义了一个默认的最小工作集（根据系统物理内存大小，此值可能为20~50 MB）和最大工作集（根据系统物理内存大小，此值可能为45~345 MB）。当工作集到达最大工作集，即进程需要再次调入新页到物理内存中时，虚拟内存管理器会将其原来的工作集中的某些页先置换出内存，然后将需要调入的新页调入内存。