操作系统内存管理(思维导图详解)
作者：互联网
操作系统内存管理：总的来说，操作系统内存管理包括物理内存管理和虚拟内存管理。
物理内存管理：
等概念、交换技术、连续分配管理方式和非连续分配管理方式（分页、分段、段页式）。
虚拟内存管理： 虚拟内存管理包括虚拟内存概念、请求分页管理方式、页面置换算法、页面分配策略、工作集和抖动。
这个系列主要使用linux内存管理来具体说明：
一、 计算机的存储体系
内存是计算机很重要的一个资源，因为程序只有被加载到内存中才可以运行；此外，CPU所需要的指令与数据也都是来自内存的。可以说，内存是影响计算机性能的一个很重要的因素。
分层存储器体系
在介绍内存管理的细节前，先要了解一下分层存储器体系：
大部分的计算机都有一个存储器层次结构，即少量的非常快速、昂贵、易变的高速缓存(cache)；若干兆字节的中等速度、中等价格、易变的主存储器(RAM)；数百兆或数千兆的低速、廉价、不易变的磁盘。这些资源的合理使用与否直接关系着系统的效率。
CPU缓存（Cache Memory）：是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存 读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。
计算机是一种数据处理设备，它由CPU和内存以及外部设备组成。CPU负责数据处理，内存负责存储，外部设备负责数据的输入和输出，它们之间通过总线连接在一起。CPU内部主要由控制器、运算器和寄存器组成。控制器负责指令的读取和调度，运算器负责指令的运算执行，寄存器负责数据的存储，它们之间通过CPU内的总线连接在一起。每个外部设备(例如：显示器、硬盘、键盘、鼠标、网卡等等)则是由外设控制器、I/O端口、和输入输出硬件组成。外设控制器负责设备的控制和操作，I/O端口负责数据的临时存储，输入输出硬件则负责具体的输入输出，它们间也通过外部设备内的总线连接在一起。
上面计算机系统结构图中我们可以看出硬件系统的这种组件化的设计思路总是贯彻到各个环节。
在这套设计思想(冯.诺依曼体系架构)里面: 总是有一部分负责控制、一部分负责执行、一部分则负责存储，它之间进行交互以及接口通信则总是通过总线来完成。这种设计思路一样的可以应用在我们的软件设计体系里面：组件和组件之间通信通过事件的方式来进行解耦处理，而一个组件内部同样也需要明确好各个部分的职责(一部分负责调度控制、一部分负责执行实现、一部分负责数据存储)。
计算存储的层次结构
当前技术没有能够提供这样的存储器，因此大部分的计算机都有一个存储器层次结构:
高速缓存(cache): 少量的非常快速、昂贵、易变的高速缓存(cache)；
主存储器(RAM): 若干兆字节的中等速度、中等价格、易变的主存储器(RAM)；
磁盘: 数百兆或数千兆的低速、廉价、不易变的磁盘。
这些资源的合理使用与否直接关系着系统的效率。
二、内存使用演化
1、没有内存抽象的年代
在早些的操作系统中，并没有引入内存抽象的概念。程序直接访问和操作的都是物理内存，内存的管理也非常简单，除去操作系统所用的内存之外，全部给用户程序使用，想怎么折腾都行，只要别超出最大的容量。比如当执行如下指令时：mov reg1,1000
1、无内存抽象存在的问题：
这条指令会毫无想象力的将物理地址1000中的内容赋值给寄存器。不难想象，这种内存操作方式使得操作系统中存在多进程变得完全不可能，比如MS-DOS，你必须执行完一条指令后才能接着执行下一条。如果是多进程的话，由于直接操作物理内存地址，当一个进程给内存地址1000赋值后，另一个进程也同样给内存地址赋值，那么第二个进程对内存的赋值会覆盖第一个进程所赋的值，这回造成两条进程同时崩溃。
带来两个问题：
- 用户程序可以访问任意内存，容易破坏操作系统，造成崩溃
- 同时运行多个程序特别困难
随着计算机技术发展，要求操作系统支持多进程的需求，所谓多进程，并不需要同时运行这些进程，只要它们都处于 ready 状态，操作系统快速地在它们之间切换，就能达到同时运行的假象。每个进程都需要内存，Context Switch 时，之前内存里的内容怎么办？简单粗暴的方式就是先 dump 到磁盘上，然后再从磁盘上 restore 之前 dump 的内容（如果有的话），但效果并不好，太慢了！
2、内存抽象：地址空间
那怎么才能不慢呢？把进程对应的内存依旧留在物理内存中，需要的时候就切换到特定的区域。这就涉及到了内存的保护机制，毕竟进程之间可以随意读取、写入内容就乱套了，非常不安全。因此操作系统需要对物理内存做一层抽象，也就是「地址空间」(Address Space)，一个进程的地址空间包含了该进程所有相关内存，比如 code / stack / heap。一个 16 KB 的地址空间可能长这样：
当程序运行时，heap 和 stack 共用中间 free 的区域，当然这只是 OS 层面的抽象。比如下面这段代码：
int x; x = x + 3; // this is the line of code we are interested in
变成汇编指令后，大概是这样：
128: movl 0x0(%ebx), %eax ;load 0+ebx into eax 132: addl $0x03, %eax ;add 3 to eax register 135: movl %eax, 0x0(%ebx) ;store eax back to mem
最前面的是 PC (Program Counter)，用来表示当前 code 的索引，比如 CPU 执行到 128 时，进行了 Context Switch（上下文切换），那么在 Switch 回来后，还可以接着从 132 开始执行（当然需要先把 PC 存起来）。之后的就是汇编代码，告诉 CPU 该如何操作。
从进程的角度看，内存可能是这样的：
真实的物理内存可能是这样的：
基址寄存器与界限寄存器可以简单的动态重定位：每个内存地址送到内存之前，都会自动加上基址寄存器的内容。
从 32KB 处作为开始，48KB 作为结束。那 32 / 48 可不可以动态设置呢，只要在 CPU 上整两个寄存器，基址寄存器base 和 界限寄存器bounds 就可以了，base 指明从哪里开始，bounds 指定哪里是边界。 因此真实物理地址和虚拟地址之间的关系是：
physical address = virtual address + base
有时，CPU 上用来做内存地址翻译的也会被叫做「内存管理单元 MMU」(Memory Management Unit)，随着功能越来越强大，MMU 也会变得越来越复杂。
base and bounds 这种做法最大的问题在于空间浪费，Stack 和 Heap 中间有一块 free space，即使没有用，也被占着，那如何才能解放这块区域呢，进入虚拟内存。
3、虚拟内存
虚拟内存是现代操作系统普遍使用的一种技术。前面所讲的抽象满足了多进程的要求，但很多情况下，现有内存无法满足仅仅一个大进程的内存要求。物理内存不够用的情况下，如何解决呢？
覆盖overlays：在早期的操作系统曾使用覆盖技术来解决这个问题，将一个程序分为多个块，基本思想是先将块0加入内存，块0执行完后，将块1加入内存。依次往复，这个解决方案最大的问题是需要程序员去程序进行分块，这是一个费时费力让人痛苦不堪的过程。后来这个解决方案的修正版就是虚拟内存。 交换swapping：可以将暂时不能执行的程序（进程）送到外存中，从而获得空闲内存空间来装入新程序（进程），或读人保存在外存中而处于就绪状态的程序。
虚拟内存：虚拟内存的基本思想是，每个进程有用独立的逻辑地址空间，内存被分为大小相等的多个块,称为页(Page).每个页都是一段连续的地址。对于进程来看,逻辑上貌似有很多内存空间，其中一部分对应物理内存上的一块(称为页框，通常页和页框大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上。
三. 物理内存：连续分配存储管理方式
连续分配是指为一个用户程序分配连续的内存空间。连续分配有单一连续存储管理和分区式储管理两种方式。
3.1 单一连续存储管理
在这种管理方式中，内存被分为两个区域：系统区和用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。其特点是，最简单，适用于单用户、单任务的操作系统。CP／M和 DOS 2．0以下就是采用此种方式。这种方式的最大优点就是易于管理。但也存在着一些问题和不足之处，例如对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，使得很少使用的程序部分也占用—定数量的内存。
3.2 分区式存储管理
为了支持多道程序系统和分时系统，支持多个程序并发执行，引入了分区式存储管理。分区式存储管理是把内存分为一些大小相等或不等的分区，操作系统占用其中一个分区，其余的分区由应用程序使用，每个应用程序占用一个或几个分区。分区式存储管理虽然可以支持并发，但难以进行内存分区的共享。
分区式存储管理引人了两个新的问题：内碎片和外碎片。
内碎片是占用分区内未被利用的空间，外碎片是占用分区之间难以利用的空闲分区(通常是小空闲分区)。
为实现分区式存储管理，操作系统应维护的数据结构为分区表或分区链表。表中各表项一般包括每个分区的起始地址、大小及状态(是否已分配)。
分区式存储管理常采用的一项技术就是内存紧缩(compaction)。
3.2.1 固定分区(nxedpartitioning)。
固定式分区的特点是把内存划分为若干个固定大小的连续分区。分区大小可以相等：这种作法只适合于多个相同程序的并发执行(处理多个类型相同的对象)。分区大小也可以不等：有多个小分区、适量的中等分区以及少量的大分区。根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区。
优点：易于实现，开销小。
缺点主要有两个：内碎片造成浪费；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。