摘要：作業系統的記憶體究竟是怎么一回事？帶你完整復習一遍《作業系統》一書中有關記憶體的所有知識點
本文分享自華為云社區《作業系統的記憶體究竟是怎么一回事？帶你完整復習一遍《作業系統》一書中有關記憶體的所有知識點》，作者：breakDawn ，
1 記憶體管理的概念
記憶體管理指作業系統對記憶體的劃分和動態分配
地址空間：
邏輯地址空間： 相對地址， 從0開始編址
物理地址空間： 地址轉換的最終地址
程式運行時：
編譯： 把源代碼編譯成目標模塊
鏈接： 把目標模塊、庫函式鏈接成1個裝入模塊
鏈接屬于形成行程邏輯地址的程序
裝入：
絕對裝入： 編譯時就確定了裝入地址
可重定位裝入： 根據記憶體情況， 把程式裝到適當位置
運行時動態裝入：運行前才真正把程式裝起來（前面2個都是先分配，再裝，再運行）
2 記憶體防溢位機制
即怎么防止記憶體越界
設定上下限暫存器：
存放記憶體中該行程的上下限地址
每次訪問時，判斷是否越界
重定位+界地址：
重定位暫存器——存放物理地址的最小地址
界地址暫存器——存放邏輯地址的最大值
先把訪問地址（相對地址） 與界地址比較是否越界
再加到重定位暫存器上，作為物理地址
min + x， 且x <max， 這樣保證地址在min到min+max之內
3 記憶體分配機制
3.1 連續分配記憶體
連續分配指 為用戶程式分配的記憶體空間一定是連續的
3.1.1 單一連續：
記憶體分為系統區和用戶區2個區
每次用戶區只能放1個程式， 這樣可確保不會越界
3.1.2 固定磁區分配
用戶區分成若干個大小的磁區， 每個磁區只能裝一個作業，
程式如果大了會裝不下
程式小了則有記憶體碎片
3.1.3 動態磁區分配
程式裝入記憶體時，按照所需大小動態生成1個磁區， 有多少碎片空間就給多少
可能會存在碎片， 比如中間的行程結束了， 于是中間就空出來一個記憶體碎片，而可能因為太小，其他行程帆布進來，
動態分配策略：
- 首次適應： 從上往下找第一個滿足的磁區——最簡單也最好
- 最佳適應： 找一個大小差距最小的磁區——最爛，碎片最多
- 最壞適應： 直接找最大的磁區轉入
- 鄰近適應： 從上次查找位置開始找，而不是從第一個碎片位置開始找，——末尾碎片會很多
3.2 非連續記憶體分配
非連續指行程記憶體可以 分成不同地址存放，不一定全部集中在一起，
3.2.1 分頁
把記憶體劃分成固定大小的塊， 行程以塊為單位申請多個不同位置的塊作為空間，
- 頁表：
每個行程PCB中會有一個頁面暫存器PRT， 告知頁表的起始位置和起始長度
找到頁表后， 頁面中會告知你所持有的頁號和偏移，
通過 頁號 * 塊大小 + 偏移， 可知道這段記憶體的起始位置，
行程每次想通過虛擬地址去定位物理地址時，都需要先去頁表中找到虛擬地址對應的頁，然后再得到物理地址，
- 快表TBL（Translation Lookaside Buffer )）：
為了避免每次都取頁表換算地址， 快表會快取 虛擬地址->物理地址的直接映射，加快速度
- 多級頁表
地址空間超級大， 1頁裝不下怎么辦？
用多級
一級頁表指明二級頁表的地址
二級頁表再去實際地址
這樣就可以有多頁了，
3.2.2 分段
分頁的話， 頁的長度是固定的， 所以偏移量的最大值是固定的
分段的話不限制偏移量最大值，即可以很長一段，
分段屬于二維地址空間， 因為他除了給出邏輯地址，還得給出段長
有利于做動態鏈接： 程式動態修改
3.2.3 段頁結合
作業先分成若干段， 再把段分頁， 每個段可以找到一個也變
段號S 頁號P 頁內偏移
Q: 遍歷二維陣列的時候, 行遍歷優先和列遍歷優先的效率差別, 為什么會這樣
A: 按行遍歷比按列遍歷的效率高體現在這些方面：
- CPU高速快取
- CPU快取從記憶體中抓取一般都是整個資料塊，所以它的物理記憶體是連續的，幾乎都是同行不同列的，而如果內回圈以列的方式進行遍歷的話，將會使整個快取塊無法被利用，而不得不從記憶體中讀取資料，而從記憶體讀取速度是遠遠小于從快取中讀取資料的，隨著陣列元素越來越多，按列讀取速度也會越來越慢，
4 虛擬記憶體
4.1 概念
虛擬地址可以讓行程獲得比實際記憶體要大的記憶體
特征：
- 多次性——作業可分多次裝入記憶體
- 對換性——可在運行時對記憶體做兌換處理
- 虛擬性——邏輯上可充分擴充容量
要求：
必須使用非連續分配方式——分頁、分段、段頁
硬體需要支持 頁表、中斷、地址變換機構
理論依據：
時間區域性—— 指令和資料總是會在一段時間內被連續訪問
空間區域性——某單元被訪問，那么他附件的單元也很大概率會被訪問
4.2 請求分頁機制
再分頁的基礎上， 增加了2個功能：
請求調頁——當頁面不在記憶體中時，從外村申請調入
頁面置換——把暫時不用的記憶體換出去，給其他需要進來的頁騰出空間
頁表項：
頁號、物理塊號
狀態位P：是否已經調入記憶體
訪問欄位A： 記錄訪問次數或者訪問標記，用于置換策略判斷
修改維 M： 記錄是否被修改過
外村地址——當頁被換出去時，指明這個頁在外存的何處
缺頁中斷機構： 當頁面不存在時， 負責產生缺頁中斷，進行頁面置換操作，
缺頁只能高端和系統中斷不同， 屬于指令中的操作，在執行期產生多次
地址變換機構：
1.先檢索塊表，如果能找到，則直接修改頁表項的訪問位，
2.塊表中沒有，則去 再檢索記憶體中的頁表，通過狀態為P確認是否在記憶體中
如果不在，則產生缺頁中斷，
4.3 作業集概念
駐留集：指系統給每個行程分配的記憶體中實際頁面集合
但是可能分配了10個， 卻只有5個經常在用
作業集： 某時間段內，這個行程訪問和使用的頁面集合
通過作業集， 系統可以評估這個駐留集是否需要做刪減，以及哪些頁應該持續保留，
這樣可以減少抖動，即減少內外村之間頻繁的交換頁
4.4 頁面置換演算法
- 最佳置換演算法：
選未來最長時間不會被用到的頁
這個要基于預測，比較難 - 先進先出FIFO
可能引發bleady例外：
較早調入的頁往往是經常被訪問的頁，這些頁在FIFO演算法下被反復調入和調出，并且有Belady現象，所謂Belady現象是指：采用FIFO演算法時，如果對一個行程未分配它所要求的全部頁面，有時就會出現分配的頁面數增多但缺頁率反而提高的例外現象，
- 最近最久未使用（LRU）
選之前最長時間沒訪問的， 引入優先佇列（最大堆）
需要設定訪問時間欄位 - 簡單時鐘clock（最近未使用NRU）
每個頁有個標記，
付訓入記憶體或者被訪問時，都會置1
如果需要換頁時，步驟如下：
- 掃描圍成換的頁鏈表
- 如果標記為1，則改成0，繼續往下掃
- 如果位0， 則替換，并讓指標指向下一頁，
改進的clock
把標記為改成 訪問位u和修改維m
- 1類(A =0, M = 0)：表示該頁面最近既未被訪問，又未被修改，是最佳淘汰頁，
- 2類(A =0, M = 1)：表示該頁面最近未被訪問，但已被修改，并不是很好的淘汰頁，
- 3類(A =1, M = 0)：表示該頁面最近已被訪問，但未被修改，該頁有可能再被訪問，
- 4類(A =1, M = 1)：表示該頁最近已被訪問且被修改，該頁可能再被訪問，
- 先優先找u=0和m=0的頁，有就直接替換
- 沒有，則找 u = 0 且m=1的頁（ 沒訪問的最優先替換）， 做替換
- 如果中間遇到U=1的， 則都會置0， 如果m=1的也會置0
- 如果一圈都沒有，則下一圈肯定有01或者00的，
4.5 頁面分配量策略
- 固定分配，區域替換
每個行程分配固定的物理塊， 且只能自己的塊之間做替換 - 可變分配，全域替換
缺頁時，可以從全域佇列的頁替換 - 可變分配，區域置換
自己替換自己，但是不夠的時候可以加塊
分配來源：
對換區：頻繁切換的區
檔案區：補怎么會變動和修改的
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