系统内存管理简介
系统内存管理简介
系统以字为单位，将内存划分为一个个存储单位，每个存储单位都有一个地址。指向地址的指针以字的大小为单位移动。目前常见的字单位为32位(4byte)或者64位(8byte)。
一、常见的名词解释
- 逻辑地址(logical address):仅对程序可见，从0开始计量
- 真实地址(physical addr):系统对内存的真实地址编号
- 地址联编(addr binding):将逻辑地址映射到真实地址
就地址联编这一块，不同的内存管理方式联编的方式也不同。逻辑与物理两套地址的规划，使得内存管理有极大的自由。程序编译阶段，使用地址就是逻辑地址，当机器码loading进系统开始运行的时候，系统才开始地址联编。这使得程序中地址表示是一致的，具体真实占用哪些地址，到地址联编的决定。
二、单块内存管理法
想象这样一种理想状况，系统中除了操作系统（OS）只有一个APP。那么除了OS占用部分内存，剩下的都是APP进程的内存。
单块内存管理
<center>图1 单块内存管理法</center>
我们使用两套地址管理，逻辑地址和物理地址。物理地址面向程序，从0开始计数，物理地址描述内存的实际地址规划。
图1中表示的是逻辑地址+基本地址=物理地址。基本地址A加上逻辑地址L，得到真实地址。
三、分区管理法
单块内存管理中只允许单个APP运行，实际上内存可以容纳多个APP同时运行。这时候的做法是将内存分为多个区，除了OS外，每一个APP占用一个连续、独立的分区。
分区方式有：
- 固定分区：引导OS初期就固定分好区间，以后不再变
- 动态分区：根据需求动态分配区间，区间可以在内存中移动
无论单块内存，还是分区内存，同样遵循逻辑地址和真实地址两套管理法。每个分区都有自己的一套逻辑地址，用于内部交流，但最终和系统交互的时候，都需要采用物理地址。即联编方式，分区管理中地址信息存储在寄存器中。基址寄存器存储分区当前分区的起始位置，界限寄存器存储分区的长度。当前进程的请求地址不可以超过分区长度。
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<center>图2 分区内存管理</center>
那么分区的大小如何决定，这取决于匹配进程的方式。总共有三种方式：
- 最先匹配：验证当前内存往下走，第一个符合进程需求的大小分配分区
- 最佳匹配：寻找可用容器中最小的分区
- 最差匹配：寻找最大的符合进城需求的分区
前两者适用于固定分区，便于节省内存。
最后一个符合动态分区，动态分配要求尽量满足当前需求，后期再进行调整。连续的小空分区，可以合并成一个大的空分区。并且作业也可以在内存中移动，以空出更大的空间，成为压缩。
最后，无论是固定分区还是动态分区，整个进程必须同时载入内存中，一个分区必须能够容纳整个APP。这也就可以看出页式内存管理的优越性，他引出了虚拟内存的的概念。
四、页式管理法
页式管理同样遵循逻辑地址和物理地址的概念，但是这里启用两个新的概念，帧面向物理地址，页面向进程地址。
页式管理中，将进程(Process)以页为单位分割，同时将内存划分为一个个帧。页和帧可以大小不同，为了方便起见，这里将其视为相同。
总结下来，帧描述内存，页描述进程。内存加载进程的方式是通过帧载入页。
程序面向的是页地址，这时地址联编需要找的是帧，这就需要一本字典，即PMT（page map table）。每一个进程都需要维护一张PMT，表中记录每一个页对应的帧。
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<center>图3 页式内存管理法</center>
这样的规划管理上增加了复杂度，但是好处也是巨大的。
无论是单块内存管理还是分区管理，都需要整块连续的内存用来存储进程，相比页式管理内存的利用率则相差太多。分区管理中，如果找不到能够容纳整个进程的连续地址，则无法载入进程。页式管理中，内存和页都是一块块的，他们分散在各处，无需专门开辟一块连续的空间，内存可以见缝插针为页分配可用的页。
同时，分页内存管理的方式也引入了请求分页和虚拟内存的概念。请求分页意思是，由于CPU同一时刻只需要进程的部分数据，因此就不必将整个进程都加载进内存。当某些页面被需要的时候，系统先访问内存，如果该页面不存在，则访问二级存储将信息加载进内存，与此同时，新的页面加入使得原有的页面退出该帧的使用，该过程称为页面交换。
请求分页的引入使得有时候，内存好像无限大一样，内存载入的进程的总大小远远大于内存大小，这种现象称为虚拟内存。
页面交互大大提高了内存的利用率，但是当页面频繁交换的时候，交换过程占用过多的时间，使得进程显得不稳定，表现为使用不断地卡顿，这个现象称为系统颠簸。
五、帧与页
帧就是大小固定的内存块，比如为1024。页就是进程地址，表示为一个坐标<页位置，偏移量>。系统中(逻辑地址/1024)的商为页面位置，余数为偏移量。因此，页坐标不得大于帧大小。根据页坐标和PMT就可找到物理地址（帧地址）。这就形成了从逻辑地址到物理地址的闭环。（仅凭记忆回顾，存疑）
六、小结
最后总结一下页式管理法。一个APP载入系统，在系统表现为进程，一个或者多个。系统为每一个进程分配内存，将Process分割成页，将内存分割成帧。之后，根据情况为页分配帧，同时给每一个进程维护一张PMT用于地址联编。
