概述

存儲器是計算機(jī)的重要組成部分鲫忍。雖然存儲器容量近年來在不斷擴(kuò)大舰始，但是仍不能滿足現(xiàn)代軟件的發(fā)展需要第焰，存儲器仍然是一種寶貴而緊俏的資源果录。內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)設(shè)計中最復(fù)雜和重要的內(nèi)容之一上枕，它將直接影響到內(nèi)存的利用率以及操作系統(tǒng)的性能。內(nèi)存管理的功能包括：

• 1 ）內(nèi)存空間的分配與回收
  由操作系統(tǒng)完成主存儲器空間的分配和管理弱恒，減輕程序員負(fù)擔(dān)辨萍，提高編程效率。

• 2 ）地址轉(zhuǎn)換
  在多道程序環(huán)境下返弹，程序中的邏輯地址與內(nèi)存中的物理地址不可能一致锈玉，因此存儲管理必須提供地址變換功能，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址义起。

• 3 ）內(nèi)存空間的擴(kuò)充
  利用虛擬存儲技術(shù)或自動覆蓋技術(shù)拉背，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存。

• 4 ）存儲保護(hù)
  保證各道作業(yè)在各自的存儲空間內(nèi)運行默终，互不干擾

在學(xué)習(xí)內(nèi)存管理之前椅棺，首先學(xué)習(xí)其相關(guān)的基本概念：

程序的裝入與鏈接

將一個用戶源程序變成一個在內(nèi)存中執(zhí)行的程序，需要經(jīng)過三個步驟：

• 首先齐蔽，由編譯程序(Compiler)將用戶源代碼編譯成一個目標(biāo)模塊(Object Module)两疚；
• 其次，由鏈接程序(Linker)將目標(biāo)模塊與其需要的庫函數(shù)鏈接在一起含滴，形成一個完整的裝入模塊(Load Module)诱渤；
• 最后，由裝入程序(Loader)將裝入模塊裝入內(nèi)存蛙吏。

1 裝入

先介紹一個無需鏈接的單個目標(biāo)程序的裝入過程源哩，該目標(biāo)模塊也就是裝入模塊。內(nèi)存的裝入模塊在裝入內(nèi)存時鸦做，有三種方式：

• 1 ）絕對裝入方式
  在編譯時励烦，如果知道程序?qū)Ⅰv留在內(nèi)存的某個位置，編譯程序?qū)a(chǎn)生絕對地址的目標(biāo)代碼泼诱。絕對裝入程序按照裝入模塊中的地址坛掠，將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。由于程序中的邏輯地址與實際內(nèi)存地址完全相同治筒，故不需對程序和數(shù)據(jù)的地址進(jìn)行修改屉栓。
  程序中所使用的絕對地址,可在編譯或匯編時給出，也可由程序員直接賦予耸袜。而通常情況下在程序中釆用的是符號地址友多，編譯或匯編時再轉(zhuǎn)換為絕對地址。絕對裝入方式只適用于單道程序環(huán)境堤框。

• 2 ）可重定位裝入方式
  在多道程序環(huán)境下域滥，多個目標(biāo)模塊的起始地址通常都是從0開始纵柿，程序中的其他地址都是相對于起始地址的，此時應(yīng)釆用可重定位裝入方式启绰。根據(jù)內(nèi)存的當(dāng)前情況昂儒，將裝入模塊裝入到內(nèi)存的適當(dāng)位置。裝入時對目標(biāo)程序中指令和數(shù)據(jù)的修改過程稱為重定位委可，地址變換通常是在裝入時一次完成的渊跋，所以又稱為靜態(tài)重定位。
  

• 3 ）動態(tài)運行時裝入
  動態(tài)運行時裝入着倾，也稱為動態(tài)重定位拾酝，程序在內(nèi)存中如果發(fā)生移動，就需要釆用動態(tài)的裝入方式屈呕。裝入程序在把裝入模塊裝入內(nèi)存后微宝，并不立即把裝入模塊中的相對地址轉(zhuǎn)換為絕對地址，而是把這種地址轉(zhuǎn)換推遲到程序真正要執(zhí)行時才進(jìn)行虎眨。因此，裝入內(nèi)存后的所有地址均為相對地址镶摘。這種方式需要一個重定位寄存器的支持嗽桩。
  

2 鏈接

源程序經(jīng)過編譯后，可得到一組目標(biāo)模塊凄敢，再利用鏈接程序?qū)⑦@組目標(biāo)模塊鏈接成裝入模塊碌冶。根據(jù)鏈接時間不同，可將鏈接分為三種方式：

• 1 ）靜態(tài)鏈接
  在程序運行之前涝缝，先將各目標(biāo)模塊及它們所需的庫函數(shù)鏈接成一個完整的可執(zhí)行程序扑庞，以后不再拆開。

• 2 ）裝入時動態(tài)鏈接
  將用戶源程序編譯后所得到的一組目標(biāo)模塊拒逮，在裝入內(nèi)存時罐氨，釆用邊裝入邊鏈接的鏈接方式。
  其優(yōu)點是：便于修改和更新（各目標(biāo)模塊分開存放滩援，修改和更新各模塊很方便）栅隐，便于實現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享（OS容易將一個模塊鏈接到幾個應(yīng)用模塊上，實現(xiàn)多個應(yīng)用模塊對該目標(biāo)模塊的共享）玩徊。

• 3 ）運行時動態(tài)鏈接
  對某些目標(biāo)模塊的鏈接租悄，是在程序執(zhí)行中需要該目標(biāo)模塊時，才對它進(jìn)行的鏈接恩袱。
  凡是執(zhí)行過程未被使用的目標(biāo)模塊泣棋，都不會被調(diào)入內(nèi)存和鏈接到裝入模塊上，這樣不僅加快程序的裝入過程畔塔，而且節(jié)省了大量的內(nèi)存空間潭辈。

邏輯地址空間與物理地址空間

編譯后纪吮，每個目標(biāo)模塊都是從0號單元開始編址，稱為該目標(biāo)模塊的邏輯地址（或相對地址）萎胰。邏輯地址空間是指一個源程序在編譯或者連接裝配后指令和數(shù)據(jù)所用的所有相對地址的空間碾盟。

用戶程序和程序員只需知道邏輯地址，而內(nèi)存管理的具體機(jī)制則是完全透明的技竟，它們只有系統(tǒng)編程人員才會涉及冰肴。不同進(jìn)程可以有相同的邏輯地址，不同進(jìn)程相同的邏輯地址可以映射到主存的不同位置榔组。

物理地址空間是指內(nèi)存中物理單元的集合熙尉，它是地址轉(zhuǎn)換的最終地址，進(jìn)程在運行時執(zhí)行指令和訪問數(shù)據(jù)最后都要通過物理地址從主存中存取搓扯。當(dāng)裝入程序?qū)⒖蓤?zhí)行代碼裝入內(nèi)存時检痰，必須通過地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，這個過程稱為地址重定位锨推。

內(nèi)存保護(hù)

內(nèi)存分配前铅歼，需要保護(hù)操作系統(tǒng)不受用戶進(jìn)程的影響，同時保護(hù)用戶進(jìn)程不受其他用戶進(jìn)程的影響换可。通過釆用重定位寄存器和界地址寄存器來實現(xiàn)這種保護(hù)椎椰。

重定位寄存器含最小的物理地址值，界地址寄存器含邏輯地址值沾鳄。每個邏輯地址值必須小于界地址寄存器慨飘；內(nèi)存管理機(jī)構(gòu)動態(tài)地將邏輯地址與界地址寄存器進(jìn)行比較，如果未發(fā)生地址越界译荞，則加上重定位寄存器的值后映射成物理地址瓤的，再送交內(nèi)存單元。

當(dāng)CPU調(diào)度程序選擇進(jìn)程執(zhí)行時吞歼，派遣程序會初始化重定位寄存器和界地址寄存器圈膏。每一個邏輯地址都需要與這兩個寄存器進(jìn)行核對，以保證操作系統(tǒng)和其他用戶程序及數(shù)據(jù)不被該進(jìn)程的運行所影響浆熔。

內(nèi)部碎片與外部碎片

“碎片的內(nèi)存”描述一個系統(tǒng)中所有不可用的空閑內(nèi)存本辐。在內(nèi)存管理中，內(nèi)部碎片是已經(jīng)被分配出去的的內(nèi)存空間大于請求所需的內(nèi)存空間医增。外部碎片是指還沒有分配出去慎皱，但是由于大小太小而無法分配給申請空間的新進(jìn)程的內(nèi)存空間空閑塊。

例如：固定分區(qū)存在內(nèi)部碎片叶骨，可變式分區(qū)分配會存在外部碎片茫多；
頁式虛擬存儲系統(tǒng)存在內(nèi)部碎片；段式虛擬存儲系統(tǒng)忽刽，存在外部碎片天揖。