【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.程序使用内存的3个步骤：

• 步骤1：把程序分为多个段，包括代码段，数据段；这是编译要做的事情；
• 步骤2：在内存中找一段空闲内存（或空闲分区）；
• 步骤3：一旦找到空闲分区，就把磁盘上的程序的段内容读入到空闲分区；在读的过程中，需要把LDT初始化好，LDT存储了段序号与段基址的映射关系；

---

【1】内存分区

1）内存分区： 内存如何分割，以便把程序的各个段载入到相应的内存分区；
简单地，内存分区指的是划分的一段用于存储程序段（或代码段cs，或数据段ds）的内存空间；

【1.1】固定分区与可变分区

1）固定分区
等分，操作系统初始化时把内存等分为k个分区；
但是段长度有大有小，固定分区不能满足段长度不定的业务场景；

 

---

【1.2】可变分区管理

1）核心数据结构

• 空闲分区表：存储空闲的内存分区数据（或段释放后的内存空间列表）；
• 已分配分区表：已使用的内存分区的记录信息；
• 注意：分区信息只需要记录 分区基址 和 长度 这两种信息；

2） 请求分配内存

【图解】

• 目前空闲的内存地址空间为 250K~500K；
• 而段3内存请求分配100K，则把250K~350K分配给该段3（seg3）；并新增一条已分配分区表记录；

3）释放内存
【例】段2不再需要，释放段2的内存
同时把释放出的内存更新到空间分区表，从已分配分区表中移除段2的记录；

4）再次申请
此时空闲分区表如下：

内存分区序号	基址	长度
1	350K	150K
2	200K	50K

---

【1.3】内存分区分配算法

内存请求分配40K，又分区1有150K，分区2有50K，那应该分配分区1还是分区2给到这个请求？

• 首先适配：(350, 150)，挑选空闲分区表中第一条且分区空间足够大的分区来分配；空闲分区表查询足够快；
• 最佳适配：(200, 50)，内存空间浪费少，但空闲分区大小会越来越小，分割后产生的内存碎片比较多；
• 最差适配：(350, 150)，挑选最大的分区进行分配，内存空间浪费多，但空闲分区大小比较均匀，内存碎片少；

 

 
【例】哪种内存分区分配算法最好

---

【2】 内存分页

【2.1】内存碎片问题

0）问题：内存分区导致的内存碎片问题

• 解决方法：引入分页解决内存分区导致的内存碎片的问题；
• 实际的物理内存分配是采用分页而不是分区； （补充：虚拟内存是采用分区来分割或分配的）

 【图解】内存碎片问题：

• 如上图所示，申请大小为160K的内存空间，而空闲分区表中的2个分区大小均小于160K且他们不是连续内存地址空间，所以无法直接分配160K的内存空间（需要先做空闲分区合并，把碎片收集在一起），即使总的内存大小为200K（大于160K）；

1）内存碎片：

• 可用的总内存大小大于申请的内存大小，但内存分区不连续，且每个分区小于申请大小，导致内存申请失败；

2）解决方法：

• 内存紧缩；简单说，把白色的分区合并在一起，彩色分区合并在一次，这就需要复制段内容；

3）内存紧缩带来的问题（内存紧缩耗时耗力）：

• 需要修改段基址的LDT，非常麻烦；
• 在内存紧缩过程中，上层用户应用程序无法执行，因为程序的多个段在复制内容到新的内存空间，段基址需要级联修改；
• 内存紧缩耗时长，容易导致机器假死；

小结： 内存紧缩方法解决内存碎片是不可行的；从而引出了内存分页解决内存碎片问题；

---

【2.2】内存分页

1）定义：操作系统初始化时，物理内存空间就分为多个页，每页占用4K内存 大小；
在处理段内存申请时，以页为单位把内存分配给段，如下表：

                                                                 表2 内存分页表

物理内存页序号（页框号）	段	页
7	段0	页3
6	段0	页0
5（空闲页）
4（空闲页）
3	段0	页2
2（空闲页）
1	段0	页1
0（空闲页）

 

 2）内存分页优点：

• 优点1：不存在内存碎片，因为中间的空闲页可以分配给其他进程；
• 优点2：内存浪费少：一个段最多浪费1页，即一个段最多浪费4K（一个段由多个页组成）；

【小结】

• 物理内存采用分页进行分割和分配，减少了内存浪费，避免了内存碎片；
• 用户希望把程序分为多个段；
• 综上，操作系统需要既支持分段也支持分页对内存进行分割和分配；

---

【例】以页为单位的内存分配

 【问题】jmp 40 映射到哪个页?

• 内存页的分配情况，通过页表进行记录，且每个进程都有一个页表；页表寄存器时 CR3；其中页表基址存入进程的PCB；  

【例】mov [0x2240], %eax  

• 步骤1：0x2240 除以4K，即右移12位，得到页号为0x02， 偏移地址0x240；
• 步骤2：通过页号2找到叶框号为3；
• 步骤3： 得到物理地址0x3240 ；（3乘以4K，3左移12位得到基址0x3000）;
• 步骤4： 页框3的基址为0x3000，偏移地址0x240，所以得到的物理地址为0x3000 + 0x240得到0x3240 ；
• 补充：把逻辑地址0x2240根据CR3存储的页表基址，可以翻译为物理地址 0x3240，这个内存地址翻译过程是由MMU完成的；

【小结】

• 一个程序由多个段组成；
• 每个段内容分散存储在内存中的多个页；每个段不是直接存入内存（那样会造成内存碎片与浪费）；
• 为了在程序执行时能够实现重定位（找到段基址加上偏移地址得到物理内存地址），就需要建立页表存储页号与页框号映射关系，而找到页框号就可以计算出内存页基址；
• 因为每页大小4K，用过页框号乘以4K就得到页基址了；