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内核的缘由

作者:互联网

内核的缘由

计算机是由各种外部硬件设备组成的,比如内存、cpu、硬盘等,如果每个应用都要和这些硬件设备对接通信协议,那这样太累了,所以这个中间人就由内核来负责,让内核作为应用连接硬件设备的桥梁,应用程序只需关心与内核交互,不用关心硬件的细节。

现代操作系统,内核一般会提供 4 个基本能力:

  1. 管理进程
  2. 管理内存,
  3. 管理硬件设备
  4. 提供系统调用
    内核具有很高的权限,可以控制 cpu、内存、硬盘等硬件,而应用程序具有的权限很小,因此大多数操作系统,把内存分成了两个区域:

内核空间,这个内存空间只有内核程序可以访问;
用户空间,这个内存空间专门给应用程序使用;

为什么要有虚拟内存?

在这种情况下,要想在内存中同时运行两个程序是不可能的。如果第一个程序在 2000 的位置写入一个新的值,将会擦掉第二个程序存放在相同位置上的所有内容,所以同时运行两个程序是根本行不通的,这两个程序会立刻崩溃。

我们可以把进程所使用的地址「隔离」开来,即让操作系统为每个进程分配独立的一套「虚拟地址」,人人都有,大家自己玩自己的地址就行,互不干涉。

如果程序要访问虚拟地址的时候,由操作系统转换成不同的物理地址,这样不同的进程运行的时候,写入的是不同的物理地址,这样就不会冲突了。

内存分段

程序是由若干个逻辑分段组成的,如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的,所以就用分段(Segmentation)的形式把这些段分离出来。

第一个就是内存碎片的问题。
第二个就是内存交换的效率低的问题。
···
我们来看看这样一个例子。假设有 1G 的物理内存,用户执行了多个程序,其中:

游戏占用了 512MB 内存
浏览器占用了 128MB 内存
音乐占用了 256 MB 内存。
这个时候,如果我们关闭了浏览器,则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。

如果这个 256MB 不是连续的,被分成了两段 128 MB 内存,这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。
···

内存分段会出现内存碎片吗?

内存碎片主要分为,内部内存碎片和外部内存碎片。

内存分段管理可以做到段根据实际需求分配内存,所以有多少需求就分配多大的段,所以不会出现内部内存碎片。

但是由于每个段的长度不固定,所以多个段未必能恰好使用所有的内存空间,会产生了多个不连续的小物理内存,导致新的程序无法被装载,所以会出现外部内存碎片的问题。
解决「外部内存碎片」的问题就是内存交换。

分段的好处就是能产生连续的内存空间,但是会出现「外部内存碎片和内存交换的空间太大」的问题。

分段外部碎片, 分页内部碎片。

内存分页机制会有内部内存碎片的现象。(因为内存分页机制分配内存的最小单位是一页,即使程序不足一页大小,我们最少只能分配一个页,所以页内会出现内存浪费,所以针对内存分页机制会有内部内存碎片的现象。)

标签:分段,程序,碎片,硬件,内核,缘由,内存
来源: https://www.cnblogs.com/shenxiaodou/p/16610324.html