操作系统(2) —— 物理内存（连续/非连续）的管理
一. 计算机体系结构
- 基本硬件结构：CPU、内存、外设（O/I）。
- 内存的层次结构：CPU（访问寄存器和cache，速度较快），内存（主存/物理内存，容量很大，速度较慢）。
- OS完成的目标：
- 抽象：访问连续的地址空间，即逻辑地址空间
- 保护：独立的地址空间
- 共享：访问相同内存
- 虚拟化：更多的地址空间，暂时不用的数据放入硬盘（虚拟内存）
- 在OS中管理内存的不同方法
- 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
- 必须知道内存架构
- MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求
二. 地址空间/地址生成
1. 地址空间定义
- 物理地址空间：硬件支持的地址空间。包括起始地址和长度。
- 逻辑地址空间：一个运行的程序所拥有的内存范围。
2. 地址生成
- 逻辑地址生成：编译、汇编、链接、载入。
- 物理地址生成：由逻辑地址映射而来，由OS控制。
3. 地址安全检查
- 建立一个表（map），规定访问地址的区域。
三. 连续内存分配
1. 内存碎片问题：空闲内存不能被使用
- 外部碎片：在分配单元之间的未使用内存。
- 内部碎片：在分配单元中的未使用内存。
2. 简单的内存管理方法——分区的动态分配
- 当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间。
- 分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据。
3. 分配策略
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首次适配：使用地址排序中第一个满足分配请求的空闲内存块。
优势：简单，易于产生较大的空闲块；
缺点：容易产生外部碎片；不确定性。
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最优适配：使用最适合满足分配请求的空闲块。
优势：当大部分分配是小尺寸时非常有效；比较简单。
缺点：产生外部碎片；重分配慢；易产生多个没用的微小碎片。
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最差适配：使用最大的可用空闲块。
优点：分配是中等尺寸时，效果最好
缺点：重分配慢；多个外部碎片；易于破坏大的空闲块以致大分区无法被分配。
4. 压缩式碎片整理
- 重置程序以合并孔洞；
- 要求所有程序是 动态可重置 的。
5. 交换式碎片整理
- 运行程序需要更多的内存，则抢占下一个等待的程序，回收他们的内存；
- 把抢占的程序存到硬盘（虚拟内存）里。
四. 非连续内存分配
连续内存分配的缺点：
- 分配给一个程序的物理内存是连续的；
- 内存利用率较低；
- 存在内碎片、外碎片的问题。
非连续内存分配的优点：
- 一个程序的物理地址空间是非连续的；
- 更好的内存利用和管理；
- 允许共享代码与数据、库等；
- 支持动态加载和动态链接。
非连续内存分配的缺点：
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换：软件方案/硬件方案
- 两种硬件方案：分段/分页
1. 分段——更好的分离和共享
- 分段地址空间：将连续的逻辑地址空间分散到多个物理地址空间。
- 分段寻址方案
- 段访问机制：程序访问内存地址需要一个二维的二元组（段号和段内偏移）。
- 逻辑地址分为两块，分别放段号和段内偏移，称为段表。
2. 分页
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分页地址空间：
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划分物理内存至固定大小的帧，大小是2的幂，如512、4096、8192。
页帧（帧号/帧内偏移，可以计算出物理地址）
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划分逻辑地址空间至相同大小的页，大小是2的幂，如512、4096、8192。
页内偏移的大小＝帧内偏移大小
页号大小 对应 帧号大小
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建立方案将逻辑地址转换为物理地址（pages to frames）
- 页表
- MMU/TLB
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页寻址方案
- 页表保存了逻辑地址和物理地址之间的映射关系
- 页映射到帧
- 页是连续的虚拟内存（逻辑）
- 帧是非连续的物理内存
- 不是所有的页都有对应的帧
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页表
- 每个运行的程序都有一个页表，属于程序运行状态，会动态变化。
- 地址转换的实例：32kb的物理内存，每页1024bytes。
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性能问题（时间/空间）
- 访问一个内存单元需要两次内存访问，分别用来获取页表项和访问数据
- 页表可能非常大——多级页表、反向页表
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TLB（Translation Look-aside Buffer）
- 缓存近期访问的页帧转换表项
- 使用关联内存实现，具备快速访问性能
- 如果TLB命中，物理页号可以很快被获取；如果未命中，对应的表项被更新到TLB中。
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多级页表的问题：大地址空间问题，前向映射页表变得繁琐
不是让页表与逻辑地址空间的大小对应，而是让页表与物理地址的大小对应。导致逻辑地址空间的增长速度快于物理地址空间。
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解决：反向页表。 反过来，用物理地址空间（帧）做索引，寻找逻辑地址空间（页），占空间小。
- 使用页寄存器：每个帧和一个寄存器关联，寄存器内容包括此帧是否被占用、对应的页号和保护位。
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优点：转换表大小相对于物理内存来说很小，转换表的大小与逻辑地址空间的大小无关。
缺点：需要的信息对调了，即根据帧号找页号。实现时设计成本大，硬件成本高，容量小。
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将 页寄存器 变为 基于哈希(hash) 查找 的方案，可节省空间，但多了一个计算哈希函数的硬件。
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