《操作系统概念精要》之内存篇（一）

2019-11-11  本文已影响0人  小pb

基本概念

内存是现在计算机运行的核心。CPU可以直接访问的通用存储只有内存和处理器的内置寄存器。机器指令可以用内存地址作为参数，但是磁盘地址不可以。

在访问速度上，寄存器的内容一般都可以在一个时钟周期解释并执行完。但是对于内存，可能需要多个时钟周期。所以为了访问速度上能更加快速，一般会有高速缓存。

在系统安全上，首先，用户的进程不能影响操作系统的执行; 在多用户系统上，还应该保护不同的进程之间不能互相影响。所以一般会有专门的硬件方式来进行保护。
为了进程之间不会相互影响，首先，我们需要确保每个进程都有一个单独的内存空间。单独的进程内存空间可以保护进程不互相影响。
为了分开内存空间，我们需要能够确定一个进程可以访问的合法地址的范围；并且确保该进程只能访问这些合法地址。 一般通过两个寄存器来实现， 基地址寄存器和界限地址寄存器。
如下图，如果基地址是300040，而界限寄存器为120900，那么程序可以合法访问到的地址为300040 ~ 420939的所包含的地址。

logical_address.png
地址绑定

一般的，进程在执行时，会先从磁盘被调入内存，而且根据内存的管理，有可能在执行的时候，被换出到磁盘上。但是磁盘的内容会被调入到物理内存的哪个地方，这个就是后面要讨论的内存分配机制。

大多数系统允许用户进程放在屋里内存中的任意位置。也就是说，物理内存的地址是从000000开始的，但是用户进程的地址不必也是000000。
实际上，在用户程序被执行前，会有很多的步骤，这些步骤中对地址会有不同的表示方法。

逻辑地址空间和物理地址空间

在程序执行的时候，从程序中加载的地址，称为逻辑地址。它是一个照片，我可以用手指出哪里是这个人的眼睛，耳朵，鼻子，但是这只是在照片的位置。这个人本人的肉体才是真正存在的东西。物理地址就好比这个人的肉体，是一个实际存在的东西。

加载时的地址绑定方法生成一个相同的逻辑地址和物理地址。然而，执行时，逻辑地址和物理内存上的地址不一定是一样的。后面内存分配会讲到。

动态加载和动态链接

动态加载指的是一个进程只有在执行的时候才被加载，而不是一次性把所有的进程全部放进内存中。
动态链接类似于动态加载。但是这里不是加载和是链接，会延迟到运行。动态链接这里链接的一般称为动态链接库。它是系统库，一般会驻留在内存中，供所有的用户程序使用。
它的原理是：当程序中有动态链接，在二进制文件中，每个库程序的引用都会有个存根（stub)。存根是一小段代码，用来指出如何定位适当的内存驻留库程序，以及不在内存时，如何加载。

动态链接库的好处是，一个库的更新，所有使用它的程序都会自动使用新的版本。

交换

最后一个基本概念是交换（swap）。进程可以暂时从内存交换到备份存储中，当再次执行的时候，再调回到内存中。

标准交换

这种交换和概念定义的一样，一般备份存储为磁盘。
这种交换的上下文切换时间相当高，假设用户进程大小为100MB,并且磁盘的传输速度为50M/s， 那么换人和换成分别需要2s,加起来可能需要4s。

交换也受到其他因素的约束，如果我们想要换出一个进程，那么确保该进程是完全处于空闲的。特别需要关注等待I/O。当需要换出一个进程以释放内存时，该进程可能正在等待I/O操作。
然而如果I/O异步访问用户内存的I/O缓冲区，那么该进程就不能被换出。假定由于设备忙，I/O操作正在排队等待。如果我们需要换出P1进程而执行P2进程，那么I/O操作可能试图使用现在已经属于进程P2的内存。
解决的办法有两种：

移动设备的交换

虽然用于PC和服务器的大多数操作系统都支持一些交换。但是移动设备通常不支持任何形式的交换。
移动设备通常是闪存（U盘，内存卡）而不是更大空间的硬盘。所以这是不支持交换的一个原因之一。还有一些原因就是，闪存和内存之间的数据交换的吞吐量差。
苹果的IOS系统，当空闲内存降低到一定的阈值时，不是采用交换，而是要求应用程序资源放弃分配的内存，只读数据可以从系统中删除，以后如有必要再从闪存中重新加载。它修改的数据不会被删除，然而， 操作系统可以终止任意的未能释放足够多内存的用户程序。
Android系统不支持交换。而当没有足够内存的时候，系统可以终止任何进程。但是他在删除前会把应用程序的状态写入到闪存，以便后面快速启动。
由于这些限制，所以移动的程序员应该小心分配内存，避免有资源泄露。

内存分配

我们通常需要把多个进程同时放在内存中，因此我们需要进程内存分配。一般内存分为两个区域：一个用于驻留在操作系统中，另一个用于用户进程。操作系统可以放在高位置，也可以放在低内存，影响这一决定的通常为中断向量的位置。一般PC是放在低内存位置的。

分区

内存分配最简单的分配方式就是:将内存分为多个固定大小的分区。每个分区可以包含一个进程，因此，多道程序设计的受限于分区数。使用这种多分区方法，那么当一个分区空闲时，可以从进程的就输入队列中选择一个进程，加载到空闲分区。虽然这种方案在现在的操作系统中已经不用，但是它的思想为后面很多内存分配提供了思想。

除此之外，还有一个可变分区方案，它的主要思想是：
操作系统有一个表，用于记录哪些内存可用，哪些内存已经使用。
开始，所有的内存都有可用于用户进程，因此可以看做是一个很大的内存。随着进程进入系统，操作系统根据所有进程的内存需要和现有的内存情况，决定哪些系统可分配内存。
在任何时候，都有一个可用块大小的列表和一个输入队列。操作系统根据调度算法来对输入队列进行排序。内存不断地分配给进程，直到下一个进程的内存需求不能满足为止，这时没有足够大的可用块来加载进程。或者继续往下扫描，输入队列，看看有没有其他内存需求比较小的进程可以被满足。

动态存储分配问题

通常，按上面的分配算法，可用的内存块分散在内存里的不同大小的孔（这里既是一个一个小的内存块）的集合。当进程需要内存时，系统为该进程查找足够大的空，如果孔太大，那么就分为两块：一块分配给内存，另一块还给孔集合。当进程终止时，他将释放内存，该内存将还给孔集合。
如果新孔与其他孔相邻，那么将这个孔合并成一个大孔。这是系统继续检测，有没有符合要求的处于等待的进程。
这种分配方法被称为动态存储分配问题。 这种方法在我们程序设计中有很多的例子，比如（C++STL的内存分配，memory cache）。

这种方法有许多变种，其中根据从一组可用的孔中选择一个空闲孔的最为常用的方法包括： 首次适应， 最优适应，最差适应。

碎片

外部碎片：根据上面的三种算法，随着进程的加载到内存和从内存退出，空闲内存空间被分为小的片段。当总的可用内存纸盒可以满足请求但并不连续时，他不能分配给进程。这些 不连续的内存块就成了碎片了。
内部碎片： 假设有一个1800字节的碎片，并采取上面的算法进行分配，进程需要1798 的内存。那么分配完了以后，就剩下两个字节，这两个字节也需要维护，但是维护的代价比他本身的价值要大的多，所以在分配的时候，把这两个字节也分配给进程，那么这两个字节就在进程内部形成了碎片。

在清理内存碎片的时候，我们有两种解决方案：

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