內(nèi)存管理的概念

內(nèi)存管理(Memory Management)是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要和最復(fù)雜的內(nèi)容之一储矩。雖然計(jì)算機(jī)硬件一直在飛速發(fā)展感耙，內(nèi)存容量也在不斷增長，但是仍然不可能將所有用戶進(jìn)程和系統(tǒng)所需要的全部程序和數(shù)據(jù)放入主存中持隧，所以操作系統(tǒng)必須將內(nèi)存空間進(jìn)行合理地劃分和有效地動(dòng)態(tài)分配即硼。操作系統(tǒng)對內(nèi)存的劃分和動(dòng)態(tài)分配，就是內(nèi)存管理的概念屡拨。

有效的內(nèi)存管理在多道程序設(shè)計(jì)中非常重要只酥，不僅方便用戶使用存儲(chǔ)器、提高內(nèi)存利用率呀狼，還可以通過虛擬技術(shù)從邏輯上擴(kuò)充存儲(chǔ)器裂允。

內(nèi)存管理的功能有：

內(nèi)存空間的分配與回收：由操作系統(tǒng)完成主存儲(chǔ)器空間的分配和管理，使程序員擺脫存儲(chǔ)分配的麻煩哥艇，提高編程效率绝编。

地址轉(zhuǎn)換：在多道程序環(huán)境下，程序中的邏輯地址與內(nèi)存中的物理地址不可能一致貌踏，因此存儲(chǔ)管理必須提供地址變換功能瓮增，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址。

內(nèi)存空間的擴(kuò)充：利用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)或自動(dòng)覆蓋技術(shù)哩俭，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存绷跑。

存儲(chǔ)保護(hù)：保證各道作業(yè)在各自的存儲(chǔ)空間內(nèi)運(yùn)行，.互不干擾凡资。

在進(jìn)行具體的內(nèi)存管理之前砸捏，需要了解進(jìn)程運(yùn)行的基本原理和要求谬运。

swap介紹

? 在詳細(xì)介紹swap之前，我們需要知道的是計(jì)算機(jī)對內(nèi)存分為物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存（注意虛擬內(nèi)存和虛擬地址空間的區(qū)別）垦藏。物理內(nèi)存就是計(jì)算機(jī)的實(shí)際內(nèi)存大小梆暖，由RAM芯片組成的。虛擬內(nèi)存則是虛擬出來的掂骏、使用磁盤代替內(nèi)存轰驳。虛擬內(nèi)存的出現(xiàn)，讓機(jī)器內(nèi)存不夠的情況得到部分解決弟灼。當(dāng)程序運(yùn)行起來由操作系統(tǒng)做具體虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的替換和加載(相應(yīng)的頁與段的虛擬內(nèi)存管理)级解。這里的虛擬內(nèi)存即所謂的swap。

? 當(dāng)用戶提交程序田绑，然后產(chǎn)生進(jìn)程勤哗，在機(jī)器上運(yùn)行。機(jī)器會(huì)判斷當(dāng)前物理內(nèi)存是否還有空閑允許進(jìn)程調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行掩驱，如果有那么則直接調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行運(yùn)行芒划；如果沒有，那么會(huì)根據(jù)優(yōu)先級選擇一個(gè)進(jìn)程掛起欧穴，把該進(jìn)程交換到swap中等待民逼，然后把新的進(jìn)程調(diào)入到內(nèi)存中運(yùn)行。根據(jù)這種換入和換出涮帘，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存的循環(huán)利用拼苍，讓用戶感覺不到內(nèi)存的限制。從這也可以看出swap扮演了一個(gè)非常重要的角色焚辅，就是暫存被換出的進(jìn)程。

? 內(nèi)存與swap之間是按照內(nèi)存頁為單位來交換數(shù)據(jù)的苟鸯，一般Linux中頁的大小設(shè)置為4kb同蜻。而內(nèi)存與磁盤則是按照塊來交換數(shù)據(jù)的。

虛擬內(nèi)存的背景（virtual memory）

內(nèi)存管理算法都是基于一個(gè)基本要求：執(zhí)行指令必須在物理內(nèi)存中早处，滿足這一要求的第一種方法是整個(gè)進(jìn)程放在內(nèi)存中湾蔓。動(dòng)態(tài)載入能幫助減輕這一限制，但是它需要程序員特別小心地做一些額外的工作砌梆。

指令必須都在物理內(nèi)存內(nèi)的這一限制默责，似乎是必須和合理的，但也是不幸的咸包，因?yàn)檫@使得程序的大小被限制在物理內(nèi)存的大小內(nèi)桃序。事實(shí)上，研究實(shí)際程序會(huì)發(fā)現(xiàn)烂瘫，許多情況下并不需要將整個(gè)程序放到內(nèi)存中媒熊。即使在需要完整程序的時(shí)候，也并不是同時(shí)需要所有的程序。

因此運(yùn)行一個(gè)部分在內(nèi)存中的程序不僅有利于系統(tǒng)芦鳍，還有利于用戶嚷往。

虛擬內(nèi)存（virtual memory）將用戶邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存分開。這在現(xiàn)有物理內(nèi)存有限的情況下柠衅，為程序員提供了巨大的虛擬內(nèi)存皮仁。

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物理和虛擬尋址

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存被組織成一個(gè)有M個(gè)連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。每字節(jié)都有一個(gè)唯一的物理地址（PA）菲宴。第一個(gè)字節(jié)的物理地址為0贷祈，接下來的字節(jié)地址為2，依次類推裙顽。給定這種簡單的結(jié)構(gòu)付燥，CPU方位內(nèi)存的最自然的方式就是使用物理地址。我們把這種方式稱為物理尋址（physical addressing）愈犹。

早期的PC使用的是物理地址键科，而且諸如數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式微控制器以及Cray超級計(jì)算機(jī)這樣的系統(tǒng)仍然還是繼續(xù)使用這種尋址方式漩怎。然而現(xiàn)代的處理器使用的是一種稱為虛擬尋址（virtual address）的尋址方式勋颖。

使用虛擬地址，CPU通過生成一個(gè)虛擬地址（Virtual Address勋锤，VA）來訪問主存饭玲，這個(gè)虛擬地址在被送到內(nèi)存之前先轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)奈锢淼刂贰⑦@個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的任務(wù)叫做地址翻譯（address translation）叁执。就像異常處理一樣茄厘，地址翻譯需要CPU硬件和操作系統(tǒng)的緊密合作。CPU芯片上叫做內(nèi)存管理單元（MMU）的專有硬件谈宛，利用存放主存中的查詢表來動(dòng)態(tài)的翻譯虛擬地址次哈，該表的內(nèi)容由操作系統(tǒng)來管理。

地址空間Address spaces

地址空間是一個(gè)非負(fù)整數(shù)的有序集合{0吆录，1窑滞，2，.......}恢筝。如果地址空間中的整數(shù)是連續(xù)的哀卫，那么我們說它是一個(gè)線性的連續(xù)地址空間。在一個(gè)帶有虛擬內(nèi)存的系統(tǒng)中撬槽，CPU從一個(gè)由N個(gè)地址的地址空間中生成虛擬地址此改，這個(gè)地址空間稱為虛擬地址空間（virtual address space）。一個(gè)地址空間的大小是由表示最大地址所需要的位數(shù)來描敘的≈度幔現(xiàn)代系統(tǒng)通常支持32位或者64位虛擬地址空間带斑。

一個(gè)系統(tǒng)還有一個(gè)物理地址空間（physical address space）鼓寺，對應(yīng)于系統(tǒng)中物理內(nèi)存的M個(gè)字節(jié)。地址空間的概念是十分重要的勋磕，因?yàn)樗宄貐^(qū)分了數(shù)據(jù)對象（字節(jié)）和它們地屬性（地址）妈候。一旦認(rèn)識(shí)到了這種區(qū)別，那么我們就可以將其推廣了挂滓，允許每個(gè)數(shù)據(jù)對象有多個(gè)獨(dú)立地地址空間苦银，其中每個(gè)地址都選自一個(gè)不同的地址空間。這就是虛擬內(nèi)存的基本思想赶站。主存中的每字節(jié)都有一個(gè)選自虛擬空間的虛擬地址和一個(gè)選自物理空間的物理地址幔虏。

虛擬內(nèi)存作為緩存的工具

概念上而言，虛擬內(nèi)存被組織為一個(gè)由存放在磁盤上的N個(gè)連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組贝椿。每字節(jié)都有一個(gè)唯一的虛擬地址想括，作為到數(shù)組的索引。磁盤上數(shù)組的內(nèi)容被緩存到主存中烙博。和存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中其他緩存一樣瑟蜈，磁盤（較低層）上的數(shù)據(jù)被分割為塊，這些塊作為磁盤和主存之間的傳輸單元渣窜。VM系統(tǒng)通過將虛擬內(nèi)存分割為稱為虛擬頁（Vitrual Page）的大小固定的塊來處理這個(gè)問題铺根。每個(gè)頁面大小為P字節(jié)。類似的乔宿，物理內(nèi)存頁被分割為物理頁（Physical page,PP）,大小也為P字節(jié)（物理頁面也被稱為頁幀 Page frame）位迂。

在任何時(shí)刻，虛擬頁面的集合都分為三個(gè)不相交的子集：

未分配：VM系統(tǒng)還未分配（或者創(chuàng)建）的頁详瑞。未分配的塊沒有任何數(shù)據(jù)和它們相關(guān)聯(lián)掂林，因此也就不占用任何磁盤空間。

緩存的：當(dāng)前已緩存在物理內(nèi)存中的已分配頁坝橡。

未緩存的：未緩存在物理內(nèi)存中的已分配頁泻帮。

Page fault 缺頁

當(dāng)換入進(jìn)程時(shí)，調(diào)頁程序推測在該進(jìn)程再次換出之前使用到的哪些頁驳庭，僅僅把需要的頁調(diào)入內(nèi)存刑顺。從而減少交換時(shí)間和所需的物理內(nèi)存空間氯窍。

這種方案需要硬件支持區(qū)分哪些頁在內(nèi)存饲常，哪些在磁盤。采用有效/無效位來表示狼讨。當(dāng)頁表中贝淤，一個(gè)條目的該位為有效時(shí)，表示該頁合法且在內(nèi)存中政供；反之播聪，可能非法朽基，也可能合法但不在內(nèi)存中。

如果進(jìn)程從不試圖訪問標(biāo)記為無效的頁离陶，那么并沒有什么影響稼虎，因此，如果推測正確且只調(diào)入所有真正需要的頁招刨，那么進(jìn)程就可如同所有頁都調(diào)入內(nèi)存一樣正常運(yùn)行霎俩。

當(dāng)進(jìn)程試圖訪問這些尚未調(diào)入內(nèi)存的頁時(shí)，會(huì)引起頁錯(cuò)誤陷阱（page-fault trap）沉眶。這種情況的處理方式如下：

1）檢查進(jìn)程的內(nèi)部頁表（通常與PCB一起保存）打却。以確定該引用是的合法還是非法的地址訪問。

2）如果非法谎倔，則終止進(jìn)程柳击；如果引用有效但是尚未調(diào)入頁面，則現(xiàn)在進(jìn)行調(diào)入片习。

3）找到一個(gè)空閑幀（如捌肴，從空閑幀表中選取一個(gè)）。

4）調(diào)度一個(gè)磁盤操作毯侦，以便將所需頁調(diào)入剛分配的幀

5）磁盤讀操作完成后哭靖，修改進(jìn)程的內(nèi)部表和頁表，表示該頁已在內(nèi)存中侈离。

6）重新開始因陷阱而中斷的指令试幽。

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系簡介

存儲(chǔ)器是分層次的，離CPU越近的存儲(chǔ)器卦碾，速度越快铺坞，每字節(jié)的成本越高，同時(shí)容量也因此越小洲胖。寄存器速度最快济榨，離CPU最近，成本最高绿映，所以個(gè)數(shù)容量有限擒滑，其次是高速緩存（緩存也是分級，有L1叉弦，L2等緩存）丐一，再次是主存（普通內(nèi)存），再次是本地磁盤淹冰。

寄存器的速度最快库车，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)訪問，其次是高速緩存樱拴，可以在幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)訪問柠衍，普通內(nèi)存可以在幾十個(gè)或幾百個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)訪問洋满。

存儲(chǔ)器分級，利用的是局部性原理珍坊。我們可以以經(jīng)典的閱讀書籍為例牺勾。我在讀的書，捧在手里（寄存器）阵漏，我最近頻繁閱讀的書禽最，放在書桌上（緩存），隨時(shí)取來讀袱饭。當(dāng)然書桌上只能放有限幾本書川无。我更多的書在書架上（內(nèi)存）。如果書架上沒有的書虑乖，就去圖書館（磁盤）懦趋。我要讀的書如果手里沒有，那么去書桌上找疹味，如果書桌上沒有仅叫，去書架上找，如果書架上沒有去圖書館去找糙捺〗朐郏可以對應(yīng)寄存器沒有，則從緩存中取洪灯，緩存中沒有坎缭，則從內(nèi)存中取到緩存，如果內(nèi)存中沒有签钩，則先從磁盤讀入內(nèi)存掏呼，再讀入緩存，再讀入寄存器铅檩。

2.計(jì)算機(jī)緩存 Cache

本系列的文章重點(diǎn)介紹緩存cache憎夷。了解如何獲取cache的參數(shù)，了解緩存的組織結(jié)構(gòu)昧旨。

2.1 Cache 概述

cache拾给，中譯名高速緩沖存儲(chǔ)器，其作用是為了更好的利用局部性原理兔沃，減少CPU訪問主存的次數(shù)蒋得。簡單地說，CPU正在訪問的指令和數(shù)據(jù)粘拾，其可能會(huì)被以后多次訪問到窄锅，或者是該指令和數(shù)據(jù)附近的內(nèi)存區(qū)域创千，也可能會(huì)被多次訪問缰雇。因此入偷，第一次訪問這一塊區(qū)域時(shí)，將其復(fù)制到cache中械哟，以后訪問該區(qū)域的指令或者數(shù)據(jù)時(shí)疏之，就不用再從主存中取出。