内存管理
内存管理概述
内存管理是操作系统的核心功能之一，负责管理计算机的主存储器，为进程分配和回收内存空间，确保内存的安全使用和高效利用。
学习目标
通过本章的学习，你将能够：
- 理解内存管理的基本概念：掌握程序装入与链接、地址空间转换和内存保护机制
- 掌握连续分配管理：理解单一连续分配、分区分配和各种适应算法
- 掌握非连续分配管理：学会分页、分段和段页式管理的原理和实现
- 理解虚拟内存管理：掌握虚拟内存概念、页面置换算法和性能优化技术
- 解决内存管理问题：能够分析和解决内存碎片、抖动等实际问题
章节结构
01. 基本概念
核心内容：
- 程序装入与链接：静态链接、动态链接、运行时动态链接
- 装入方式：绝对装入、可重定位装入、动态运行时装入
- 逻辑地址与物理地址空间：地址转换过程、地址转换机构
- 内存保护：界限寄存器保护、页表保护位、段表保护位
- 内存管理的基本要求：地址转换、内存分配、内存回收、内存保护、内存共享
学习重点：
- 理解程序从外存到内存的完整过程
- 掌握地址转换的基本原理和实现方法
- 理解内存保护的重要性和实现机制
- 了解内存管理的发展历程和性能指标
02. 连续分配管理
核心内容：
- 单一连续分配：基本原理、内存布局、特点分析
- 固定分区分配：分区表结构、分区分配算法（首次适应、最佳适应、最坏适应）
- 可变分区分配：空闲分区表、分配算法实现、内存回收
- 内存碎片问题：内碎片、外碎片、内存紧凑
- 伙伴系统：基本原理、实现示例
学习重点：
- 理解连续分配的特点和适用场景
- 掌握各种分配算法的优缺点和实现方法
- 理解内存碎片问题的产生和解决方法
- 了解伙伴系统在内存管理中的应用
03. 非连续分配管理
核心内容：
- 分页管理：基本原理、地址结构、页表结构、地址转换实现
- 页表优化：多级页表、倒置页表、TLB（快表）
- 分段管理：基本原理、地址结构、段表结构、地址转换实现
- 段页式管理：基本原理、地址结构、地址转换过程
- 内存共享：分页系统中的共享、分段系统中的共享
- 内存保护：分页保护、分段保护
学习重点：
- 理解分页和分段的基本原理和区别
- 掌握各种页表优化技术的原理和实现
- 理解段页式管理结合两种方式的优点
- 掌握内存共享和保护的实现方法
04. 虚拟内存管理
核心内容：
- 虚拟内存基本概念：基本原理、虚拟内存的优势、实现机制
- 请求分页管理：基本概念、页表项结构、页面缺失处理
- 页面置换算法：OPT、FIFO、LRU、CLOCK、改进的时钟算法
- 页面分配策略：固定分配、可变分配
- 工作集模型：基本概念、工作集计算、工作集置换算法
- 抖动问题：抖动现象、抖动原因、抖动检测、抖动预防
- 性能优化：预调页、页面缓冲、写时复制
学习重点：
- 理解虚拟内存的基本原理和优势
- 掌握各种页面置换算法的原理和实现
- 理解工作集模型在虚拟内存管理中的作用
- 掌握抖动问题的检测和预防方法
05. 练习题
练习内容：
- 地址转换与页表计算
- 页面置换算法比较
- 内存分配算法分析
- 虚拟内存与工作集问题
- 页面置换算法实现
- 内存碎片分析
- 多级页表设计
- 抖动检测与预防
学习目标：
- 通过实际计算巩固理论知识
- 掌握各种算法的具体实现方法
- 培养解决实际问题的能力
- 提高算法分析和设计能力
核心概念
1. 地址转换
逻辑地址到物理地址的转换过程：
逻辑地址 → 地址转换机构 → 物理地址
地址转换机构：
- 重定位寄存器：基址寄存器
- 页表：分页系统中的地址映射
- 段表：分段系统中的地址映射
2. 内存分配策略
连续分配：
- 单一连续分配：整个内存分配给一个进程
- 固定分区：内存划分为固定大小的分区
- 可变分区：根据进程需要动态划分内存
非连续分配：
- 分页管理：将内存划分为固定大小的页
- 分段管理：按逻辑模块分配内存
- 段页式管理：结合分段和分页的优点
3. 页面置换算法
经典算法：
- OPT：最佳置换算法（理论最优）
- FIFO：先进先出算法（简单但性能差）
- LRU：最近最少使用算法（性能好但实现复杂）
- CLOCK：时钟算法（性能接近 LRU，实现简单）
改进算法：
- 改进的时钟算法：同时考虑引用位和修改位
- 工作集算法：基于局部性原理
- WSClock 算法：结合工作集和时钟算法
4. 虚拟内存管理
核心机制：
- 请求分页：页面在需要时才调入内存
- 页面置换：将不常用的页面换出到外存
- 工作集管理：跟踪进程的活跃页面
- 抖动预防：避免频繁的页面置换
性能优化：
- TLB：快表加速地址转换
- 预调页：根据访问模式预测需要的页面
- 页面缓冲：减少磁盘 I/O 操作
- 写时复制：提高内存共享效率
实际应用
1. Linux 内存管理
核心组件：
- 伙伴系统：管理物理内存页框
- SLAB 分配器：管理内核对象
- 虚拟内存管理：进程地址空间管理
- 页面缓存：文件系统缓存
特点：
- 使用段页式管理
- 支持多种页面置换算法
- 提供丰富的内存管理接口
- 支持内存映射文件
2. Windows 内存管理
核心组件：
- 虚拟内存管理器：管理进程地址空间
- 页面管理器：管理物理内存页面
- 工作集管理器：管理进程工作集
- 内存压缩：压缩不常用的页面
特点：
- 使用分页内存管理
- 支持内存压缩技术
- 提供内存映射文件
- 支持大页面分配
3. 移动系统内存管理
Android 内存管理：
- Dalvik 虚拟机：Java 对象内存管理
- Native 内存管理：C/C++内存管理
- 内存回收：垃圾回收机制
- 内存优化：内存压缩和交换
iOS 内存管理：
- ARC：自动引用计数
- 内存警告：内存不足时的处理
- 后台应用管理：后台应用的内存管理
- 内存优化：内存压缩和清理
性能指标
1. 内存利用率
内存利用率 = 已使用内存 / 总内存 × 100%
2. 页面缺失率
页面缺失率 = 页面缺失次数 / 内存访问次数 × 100%
3. 地址转换开销
- TLB 命中率：快表命中率
- 页表访问次数：地址转换的页表访问次数
- 地址转换延迟：地址转换的时间开销
4. 内存分配效率
- 分配算法时间复杂度：内存分配算法的时间复杂度
- 内存碎片率：内存碎片的比例
- 分配成功率：内存分配的成功率
发展趋势
1. 大内存支持
- 64 位地址空间：支持更大的虚拟地址空间
- 大页面支持：支持 2MB、1GB 等大页面
- NUMA 架构：非统一内存访问架构
2. 内存优化技术
- 内存压缩：压缩不常用的页面
- 内存去重：去除重复的内存页面
- 内存预测：预测内存访问模式
3. 新型内存技术
- 非易失性内存：持久化内存技术
- 内存池技术：专用内存池管理
- 内存虚拟化：内存资源的虚拟化
总结
内存管理是操作系统的核心功能，涉及地址转换、内存分配、页面置换等多个方面。通过本章的学习，你将掌握现代操作系统的内存管理机制，理解虚拟内存的工作原理，学会分析和解决内存管理中的实际问题。
现代操作系统的内存管理越来越复杂，但基本原理仍然是地址转换、内存分配、内存保护和内存共享。选择合适的分配算法和页面置换算法对于提高系统性能至关重要。