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内存管理

1) 内存管理要解决的问题

• 分配与回收：高效利用物理内存
• 地址转换：逻辑地址 → 物理地址
• 保护与共享：进程间隔离，同时允许共享库
• 扩充：虚拟内存，让程序可用空间 > 物理内存

2) 重定位（逻辑地址 → 物理地址）

• 静态重定位：装入时完成，装入后不能移动
• 动态重定位：运行时通过基址寄存器 + 限长寄存器完成（现代系统常见）

物理地址 = 基址寄存器值 + 逻辑地址

3) 连续分配

• 固定分区：预先划分 → 内部碎片
• 动态分区：按需分配 → 外部碎片

动态分区分配算法：

算法	策略	特点
First Fit	找到第一个够大的空闲块	快，但低地址碎片多
Next Fit	从上次位置继续找	分散碎片
Best Fit	找最小的够大块	碎片小但多
Worst Fit	找最大的空闲块	碎片大但少

4) 碎片（必背）

• 内部碎片：分配多了用不完（如固定分区、页式分配的最后一页）
• 外部碎片：空闲块总量足够，但不连续（如动态分区）

解决外部碎片：紧凑（compaction） 或改用非连续分配（分页/分段）。

5) 分页 vs 分段

维度	分页（Paging）	分段（Segmentation）
划分方式	固定大小（如 4KB）	按逻辑单位（代码段、数据段等）
碎片	内部碎片	外部碎片
地址结构	页号 + 页内偏移	段号 + 段内偏移
共享/保护	不方便（一页可能混合内容）	方便（按段共享）
现代系统	主流方案	通常与分页结合（段页式）

分页地址转换

逻辑地址 = 页号 p + 页内偏移 d
页表[p] = 物理帧号 f
物理地址 = f × 页大小 + d

6) 虚拟内存

允许程序使用比物理内存更大的地址空间。核心思想：

• 只将活跃页面保留在内存中
• 不活跃页面放在磁盘交换区（swap）
• 访问不在内存的页面时触发缺页中断（page fault）

缺页处理流程

CPU 访问虚拟地址
  → MMU 查页表 → 该页不在内存（valid bit = 0）
  → 触发缺页中断
  → OS 选择牺牲页（若页框满）
  → 将牺牲页写回磁盘（若脏页）
  → 从磁盘加载目标页到空闲页框
  → 更新页表
  → 重新执行触发缺页的指令

7) TLB（Translation Lookaside Buffer）

页表在内存中，每次地址转换需两次内存访问（查页表 + 访问数据）。TLB 是页表的高速缓存：

CPU 产生虚拟地址
  → 查 TLB（硬件，极快）
    → 命中：直接得到物理帧号
    → 未命中：查内存页表，结果写入 TLB

TLB 命中率通常 > 99%，有效将地址转换开销降到接近一次内存访问。

8) 内存映射文件（Memory-Mapped Files）

将文件映射到进程的虚拟地址空间，通过内存操作实现文件读写：

void *addr = mmap(NULL, length, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, offset);
// 之后直接通过 addr 指针读写，OS 负责 page-in/page-out
munmap(addr, length);

优点：避免显式 read/write 系统调用，利用 OS 的页面缓存机制。

9) 交换（Swapping）

将整个进程从内存移到外存（swap out），需要时再移入（swap in）。

• 代价高（进程的全部页面都要移动），现代系统更倾向于页面级别的虚拟内存。
• 仍用于内存极度紧张时回收物理页框。

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