操作系统存储管理
在现代操作系统中，存储管理（内存管理）是核心功能之一，主要负责内存的分配与回收、地址转换、内存扩充（虚拟内存）以及内存保护。
一、内存管理基础
1. 程序的装入与链接
为了让程序运行，必须将其装入内存。
- 编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块。
- 链接：由链接程序将目标模块和所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
- 静态链接：运行前链接。
- 装入时动态链接：装入内存时链接。
- 运行时动态链接：运行时需要该模块才链接（便于共享）。
- 装入：由装入程序将装入模块装入内存运行。
- 绝对装入：编译时产生绝对地址（单道程序）。
- 可重定位装入（静态重定位）：装入时一次性完成地址转换。
- 动态运行时装入（动态重定位）：运行时进行地址转换（需要重定位寄存器支持）。
2. 逻辑地址与物理地址
- 逻辑地址（相对地址）：CPU 生成的地址，用户程序中使用的地址。
- 物理地址（绝对地址）：内存单元的真实地址。
- MMU（内存管理单元）：硬件机构，负责运行时将逻辑地址映射为物理地址。
二、连续分配管理方式
指为用户程序分配一个连续的内存空间。
1. 单一连续分配
内存分为系统区和用户区，用户区仅驻留一道程序。无外部碎片，有内部碎片。
2. 固定分区分配
将用户内存空间划分为若干个固定大小的分区。
- 分区大小相等：缺乏灵活性。
- 分区大小不等：适应不同大小的程序。
- 优缺点：无外部碎片，但有内部碎片（分区内未利用空间）。
3. 动态分区分配
不预先划分分区，根据进程大小动态建立。
- 数据结构：空闲分区表 / 空闲分区链。
- 分配算法：
- 首次适应 (First Fit): 地址递增，找第一个满足的。最快，保留了高址大空间。
- 最佳适应 (Best Fit): 容量递增，找最小能满足的。产生很多外部碎片。
- 最坏适应 (Worst Fit): 容量递减，找最大的。
- 邻近适应 (Next Fit): 从上次查找结束位置开始。
- 碎片问题：产生外部碎片（分区之间的小不可用空间），可通过**紧凑（Compaction）**技术解决。
三、非连续分配管理：分页与分段
为了解决连续分配的碎片问题，引入了非连续分配。
1. 分页管理（Paging）
基本思想
- 将进程的虚拟地址空间和物理内存都划分为固定大小的块。
- 虚拟地址空间的块称为页（Page）
- 物理内存的块称为页框（Page Frame） 或页帧
- 页与页框大小相同（通常为 4KB），便于映射。
地址结构
虚拟地址 = 页号（Page Number） + 页内偏移（Offset）
页表
- 每个进程维护一张页表，记录“虚拟页 → 物理页框”的映射。
- 快表 (TLB)：高速缓存，存放最近访问的页表项，加速地址变换。
优缺点
- 优点：无外部碎片，内存利用率高。
- 缺点：页表可能过大（需多级页表）；页面是物理单位，不反映逻辑结构。
2. 分段管理（Segmentation）
基本思想
- 按逻辑意义将程序划分为若干段（Segment）（如代码段、数据段、栈）。
- 每段长度可变。
地址结构
虚拟地址 = 段号 + 段内偏移
优缺点
- 优点：符合逻辑，便于共享（如共享代码库）和保护。
- 缺点：产生外部碎片。
3. 段页式管理
- 先分段，段内再分页。
- 结合了分页的高效（无外部碎片）和分段的逻辑性（便于共享保护）。
四、虚拟内存管理
基于局部性原理，在程序装入时，只需将当前需要执行的部分页/段装入内存，其余留在外存，执行过程中动态调入/调出。
1. 局部性原理
- 时间局部性：某指令/数据被访问，不久后可能再次被访问（如循环）。
- 空间局部性：某单元被访问，其附近单元可能被访问（如数组）。
2. 请求分页管理
在分页基础上增加了请求调页和页面置换功能。
- 页表项扩展：增加状态位（是否在内存）、访问字段、修改位、外存地址。
- 缺页中断：访问的页不在内存时产生，属于内部异常。
3. 页面置换算法
当内存不足时，选择换出哪个页面。
| 算法 | 名称 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|---|
| OPT | 最佳置换 | 淘汰以后永不使用或最长时间不使用的页面 | 理论最优，无法实现（需预知未来）。 |
| FIFO | 先进先出 | 淘汰最早进入的页面 | 实现简单，但有Belady异常（物理块增加，缺页率反而上升）。 |
| LRU | 最近最久未使用 | 淘汰最近最长时间未访问的页面 | 性能好，接近OPT。需硬件支持（栈/寄存器），开销大。 |
| CLOCK | 时钟置换 (NRU) | 循环扫描，检查访问位 | 性能接近LRU，开销较小。 |
4. 抖动 (Thrashing)
- 现象：刚换出的页马上又要换入，频繁调度，CPU利用率急剧下降。
- 原因：分配给进程的物理块太少，不能满足工作集需求。
- 工作集：在某段时间间隔内，进程实际访问的页面集合。
总结
- 连续分配：简单，但有碎片。
- 分页：物理视角，解决外部碎片，现代OS主流。
- 分段：逻辑视角，便于共享保护。
- 虚拟内存：逻辑扩充内存，核心是置换算法 (LRU)。