内存管理概念

内存管理的基本概念

• 逻辑地址和物理地址空间
• 地址变换
• 内存共享

共享内存（Shared Memory）是多个进程共享的内存区域。它是最快的IPC（进程间通信）机制之一，因为进程直接读写内存，无需进入内核态。但是，因为多个进程可以同时访问这些内存，所以可能需要某种同步机制（如信号量）来防止竞态条件。

• 内存保护

内存保护是现代操作系统中的一个核心功能，用于防止一个进程访问另一个进程的内存空间。这不仅保障了系统的稳定性，而且提高了安全性，因为它可以防止恶意软件损害其他进程或篡改其数据。

可以通过如下机制实现内存保护机制：

1. 分段与分页:
   • 分段: 内存被划分为不同的段，每个段都有其起始地址和长度。段常常用于表示高级的数据结构，如函数或对象。
   • 分页: 内存被划分为固定大小的页面，例如4KB。操作系统为每个进程维护一个页表，来映射其虚拟地址到物理地址。
2. 访问权限: 每个段或页面都有与之相关的访问权限。例如，一个页面可能被标记为只读，这意味着任何尝试写入该页面的操作都会引发一个异常。
3. 隔离: 由于每个进程都有其独立的地址空间，所以一个进程不能直接访问另一个进程的内存。这为每个进程提供了一种形式的隔离，确保了一个出错的进程不会影响其他进程。

连续分配管理方式

1. 单一连续分配

内存在此方式下分为系统区和用户区，系统区仅供操作系统使用，通常在低地址部分；在用户区内存中，仅有一道用户程序，即整个内存的用户空间都由该程序独占。

这种方式的优点是简单、无外部碎片，无需进行内存保护，因为内存中永远只有一道程序。缺点是只能用于单用户、单任务的操作系统中，存储器的利用率极低。

2. 固定分区分配

固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空间划分为若干固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时，便可再从外存的后备作业队列中选择适当大小的作业装入该内存，如此循环。

为了方便内存分配，通常将分区按大小排队，并为之建立一张分区说明表，其中各表项包含每个分区的起始地址、大小和状态。当有用户程序需要装入时，便检索该表，以找到合适的分区基于分配并将其状态设置为“已分配”；未找到合适分区时，则拒绝为给程序分配内存。

3. 动态分区分配

内存空间中的空闲区域可能大小不一，且分布在内存中不同的位置。当进程申请一块新的内存时，必须从已有的空闲空间中选出一块分配给进程。动态分区的分配策略包含以下几种算法：

• First Fit（首次适应）
  • 当需要分配内存时，它不从内存的开始位置开始，而是从上一次分配内存的地方开始。
• Next Fit（临近适应）
  • 这种策略与首次适应相似，但当需要分配内存时，它不从内存的开始位置开始，而是从上一次分配内存的地方开始。
• Best Fit（最佳适应）
  • 为了满足内存请求，最佳适应策略会在所有可用的内存块中查找并选择最小的、但足够大的内存块（申请内存/内存块大小最大），这种策略的目标是最大限度地减少浪费的内存空间。。
• Worst Fit（最坏适应）
  • 与最佳适应的目标相反，其思想是留下最大的连续空闲区域，希望这样可以满足后续的大请求。

页式管理

段式管理

段式内存管理是一种内存组织方法，它将程序的不同部分（例如代码、数据和堆栈）划分为不同的段（segments）。每个段在物理内存中可以不连续，但在逻辑上都被视为连续的。这种方法的主要优点是它允许更为灵活的内存使用，并有助于提供更好的保护和共享机制。

段定义

• 每个段都有一个明确的角色，例如代码段、数据段或堆栈段。
• 每个段都有一个起始地址和长度。
• 段内的地址是连续的，但不同段之间的地址可以不连续。

段表

• 段表是一种数据结构，用于存储每个段的基地址（在物理内存中的起始地址）和限制（段的长度或末尾地址）。
• 当一个程序需要访问其内存段时，会使用段号和段内偏移作为地址。这个地址被称为逻辑地址或段地址。
• 逻辑地址通过段表转换为物理地址。

地址转换

• 为了从逻辑地址获取物理地址，首先需要从逻辑地址中提取段号，然后使用段号在段表中查找相应的基地址和限制。
• 然后，检查逻辑地址中的偏移量是否小于该段的限制。如果偏移量超出限制，则产生段越界错误。
• 如果偏移量有效，则将偏移量加到段的基地址上，得到物理地址。

段页式管理

段页式管理是一种将段式内存管理与分页式内存管理相结合的策略。它结合了两者的优势，旨在提供灵活性和减少内存碎片。在段页式管理中，程序首先被划分为逻辑上的段，然后每个段进一步被划分为固定大小的页。