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前言

• 在上一篇博客中，我們深入探討了進程同步，了解了進程間如何協調以避免沖突、有序執行。
• 進程運行離不開內存資源，因此，這一篇博客，我們將開啟內存管理的學習之旅，探究操作系統是如何高效管理內存，為進程運行保駕護航的。

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一、內存的使用與程序重定位

（一）內存是什么？

內存是計算機中用于臨時存儲數據和程序的硬件設備，就像我們日常辦公時的"書桌"。當我們要運行一個程序（比如打開瀏覽器），計算機需要先把程序從硬盤（相當于"文件柜"）復制到內存這個"書桌"上，CPU才能快速讀取并執行。

（二）程序的重定位過程

1. 程序的三種地址形態

   • 邏輯地址：程序員寫代碼時用的"虛擬地址"，比如在C語言中定義int a=10;，編譯器會給變量a分配一個邏輯地址（例如0x1000），這個地址不考慮實際內存位置。
   • 相對地址：經過匯編或編譯后生成的"相對起始地址"。比如一個程序模塊的相對地址從0開始，內部函數調用使用相對地址（如調用偏移量100的函數）。
   • 物理地址：內存中真實的硬件地址，就像每個內存單元的"門牌號"（例如0x80000010）。

2. 為什么需要重定位？
   當程序被裝入內存時，它在內存中的起始位置是不確定的。比如同一個程序第一次從內存地址0x1000開始存放，第二次可能從0x5000開始。這時候程序內部的邏輯地址必須轉換成對應的物理地址，否則CPU會找不到正確的數據，就像快遞地址寫錯會導致包裹送錯地方。

3. 兩種重定位方式

   • 靜態重定位：在程序裝入內存時一次性完成地址轉換。就像搬家前把所有家具的位置在圖紙上標好，搬家時直接按圖紙擺放，之后不再改變。優點是簡單，缺點是程序一旦裝入就不能移動位置。
   • 動態重定位：程序運行時通過硬件地址轉換機構（如基址寄存器）實時轉換地址。就像隨身攜帶一個"地址翻譯器"，走到哪里都能把邏輯地址翻譯成當前位置的物理地址。優點是程序可以在內存中移動（比如內存緊湊時），缺點是需要額外的硬件支持。

（三）總結：內存使用的核心問題

程序要在內存中運行，必須解決"地址轉換"的問題，而重定位就是連接邏輯世界（程序員視角）和物理世界（硬件視角）的橋梁。

二、連續分區管理：早期的內存管理方案

（一）什么是連續分區？

• 把內存劃分為若干個連續的區域，每個區域分配給一個程序使用，就像把一塊大蛋糕切成若干塊，每塊給一個人吃。
• 早期的操作系統（如DOS）常用這種方式。

（二）三種典型方案

1. 單一連續分區（最簡單的方案）

   • 內存分為兩部分：一部分給操作系統（比如Windows的內核），剩下的全部給一個應用程序。
   • 缺點：一次只能運行一個程序（想想看，你不能同時打開微信和瀏覽器），內存利用率極低。

2. 固定分區（稍微進步一點）

   • 提前把內存劃分為大小固定的幾個分區（比如1MB、2MB、4MB），每個分區可以存放一個程序。
   • 問題：如果程序大小超過分區大小，無法裝入；如果程序太小，分區剩余空間浪費（比如一個500KB的程序裝入1MB的分區，浪費500KB）。

3. 動態分區（按需分配）

   • 不再提前劃分分區，而是根據程序需要動態劃分。比如程序需要3MB內存，就從空閑內存中切出3MB的連續空間。
   • 關鍵問題：如何高效分配和回收空間？
     • 分配算法：
       • 首次適應：從內存起始位置開始找，第一個足夠大的空閑塊就分配，簡單但可能留下小碎片。
       • 最佳適應：找最接近程序大小的空閑塊，看似合理，卻容易產生大量微小碎片（比如把大空閑塊切成剛好夠用的小塊，剩下的小碎片難以利用）。
     • 回收問題：當程序運行結束釋放內存時，如果相鄰的空閑塊，需要合并成一個大的空閑塊，否則會形成不連續的碎片。

（三）連續分區的致命缺陷：內存碎片

無論是固定分區還是動態分區，都會面臨"碎片問題"。比如內存中有多個小的空閑塊，但合起來不夠一個程序使用（就像錢包里有很多零錢，但湊不出一張整鈔）。為了解決這個問題，操作系統不得不定期進行"內存緊湊"（把正在運行的程序移動到連續的區域，合并空閑塊），但這會消耗大量CPU資源。

三、分頁管理：用"拆分成小塊"解決碎片問題

（一）核心思想：把內存和程序都切成小塊

1. 頁與頁框

   • 把程序邏輯地址空間劃分為大小相等的"頁"（Page，比如4KB大小）。
   • 把物理內存劃分為同樣大小的"頁框"（Page Frame，也叫頁幀）。
   • 程序的每個頁可以裝入任意一個頁框，不需要連續，就像把一本書拆分成若干章節（頁），每個章節可以放在不同的書架格子（頁框）里，只要知道每個章節放在哪個格子，就能快速找到。

2. 頁表：記錄"頁"的位置

   • 每個程序有一張"頁表"，記錄邏輯頁號到物理頁框號的映射關系。比如邏輯頁0對應物理頁框5，邏輯頁1對應物理頁框3。
   • 地址轉換過程：當程序訪問邏輯地址（由頁號+頁內偏移組成），CPU通過頁表找到對應的頁框號，再加上頁內偏移，得到物理地址。例如：頁大小4KB（12位），邏輯地址0x1234（二進制0001 0010 0011 0100），前4位（0001）是頁號，后12位（0010 0011 0100）是頁內偏移。通過頁表查到頁號1對應的頁框號是3（二進制0011），物理地址就是0011 0010 0011 0100（0x3234）。

（二）分頁的優點

1. 幾乎消除外部碎片：程序的頁可以分散存儲，只要有足夠的頁框就能裝入，不會因為空閑塊不連續而無法分配。
2. 內存利用率高：頁的大小固定（通常4KB-8KB），每個程序最后一個頁即使沒裝滿，浪費的空間也很小（最多一個頁的大小），這叫"內部碎片"，比連續分區的碎片問題好很多。

（三）分頁的問題

1. 頁表占用內存：每個程序都需要頁表，如果頁表很大（比如64位系統），可能需要多級頁表（比如二級頁表、三級頁表）來減少內存占用。
2. 程序員無感知：分頁是操作系統底層的機制，程序員不需要關心，所有地址轉換由硬件和操作系統自動完成。

四、分段管理：從"邏輯模塊"角度管理內存

（一）為什么需要分段？

分頁解決了內存碎片問題，但它是從"物理內存劃分"的角度設計的，而程序員寫程序時更習慣按邏輯模塊劃分（比如代碼段、數據段、堆棧段）。比如一個C程序包含main函數（代碼段）、全局變量（數據段）、函數調用棧（堆棧段），分段管理就是把這些邏輯模塊分別裝入內存，每個段可以獨立增長和共享。

（二）分段的核心概念

1. 段：每個程序由若干個段組成，每個段有自己的名稱（如代碼段.text、數據段.data）和長度。比如代碼段可能有10KB，數據段可能有5KB。
2. 段表：記錄每個段的起始物理地址和長度。當程序訪問邏輯地址（段號+段內偏移），首先檢查段內偏移是否超過段長度（防止越界訪問，比如數組下標越界），然后用段號找到段的起始地址，加上偏移得到物理地址。

（三）分段的優點

1. 符合程序邏輯結構：程序員可以直觀地理解內存布局，比如調試時知道代碼段在哪個區域，數據段在哪個區域。
2. 支持段的共享與保護：多個程序可以共享同一個代碼段（比如共享C語言標準庫），每個段可以設置訪問權限（代碼段只讀，數據段可讀寫）。

（四）分段的缺點

1. 外部碎片問題回歸：每個段需要連續的內存空間，段與段之間可能產生碎片（類似動態分區管理的問題）。
2. 段大小不固定：大段可能難以分配，小段可能浪費空間（但比連續分區好，因為程序可以分成多個小段）。

五、段頁式管理：集大成者

（一）設計思想：分段+分頁，取長補短

1. 先分段，再分頁：每個段被劃分為若干個頁，結合分段的邏輯模塊化和分頁的內存高效利用。
   • 比如代碼段分成3個頁，數據段分成2個頁，每個頁裝入頁框，不需要連續。
2. 地址結構：段號+段內頁號+頁內偏移。通過段表找到段對應的頁目錄表，再通過頁表找到頁框號，最后得到物理地址。

（二）地址轉換過程（稍微復雜，但更靈活）

1. 程序訪問邏輯地址（段號S，段內邏輯地址A）。
2. 通過段表找到該段的頁目錄表起始地址。
3. 段內邏輯地址A分為頁號P和頁內偏移D。
4. 通過頁目錄表和頁表找到頁框號F。
5. 物理地址 = F×頁大小 + D。

（三）優缺點

• 優點：
  • 既有分段的邏輯清晰（支持模塊劃分、共享、保護），又有分頁的內存高效（消除外部碎片，內部碎片少）。
  • 適合大型程序和多任務系統（如Windows、Linux）。
• 缺點：
  • 地址轉換需要多次訪問內存（段表+頁表），為了加速，通常使用"快表"（TLB，高速緩存）來緩存最近訪問的段頁信息。
  • 管理復雜度最高，需要維護段表和頁表兩級結構。

（四）實際應用

現代操作系統（如x86架構的Linux、Windows）普遍采用段頁式管理，但為了簡化，有時會讓段的作用弱化（比如默認段號為0，只使用分頁），但底層機制仍支持分段與分頁的結合。

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以上就是對本次關于操作系統博客內容的總結，后續我們將深入探討操作系統更多知識。

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