3.操作系统如何管理物理内存
- 计算机体系结构/内存分层体系
- 地址空间 & 地址生成
- 连续内存分配
3.1 计算机体系结构/内存分配体系
- 计算机体系结构
- 内存分层体系
- 在操作系统的内存管理范例
计算机基本硬件结构
CPU完成了对整个程序或软件执行的控制， 内存主要是放置了程序的代码和它所处理的数据，第三部分是外设配合程序发挥更大的作用。
内存的层次结构：CPU要访问的数据或指令所存储的位置；
CPU要访问的数据包含很多种类，第一个是寄存器，第二个是cache ，寄存器和cache都位于CPU的内部，操作系统无法对其直接进行管理，但是他们的速度很快，容量很小，所以能放的数据和指令是有限的，所以在计算机内还需要一块很大的存储区域，叫主存或物理内存。
操作系统要完成的任务
在操作系统中管理内存的不同方法：
- 程序重定位
- 分段
- 分页
- 虚拟内存
- 按需分页虚拟内存
实现高度依赖于硬件
- 必须知道内存架构
- MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求
3.2 地址空间与地址生成
地址空间&地址生成
- 地址空间定义
- 地址生成
- 地址安全检查
地址空间
地址空间有两种，一种是物理地址空间（硬件直接对应的，比如说内存条所代表的主存，硬盘所代表的另一种存储空间），物理内存的地址空间管理是硬件所完成的；另外一种是逻辑地址空间，是指一个运行的程序它所看到的内存空间，它看到的空间更加简单，它是一个一维的线性地址空间。
程序所访问的逻辑地址空间都会落实到物理地址空间。
逻辑地址生成
物理地址生成
地址安全检测
3.3 连续内存分配：内存碎片与分区的动态分配
（1）连续内存分配
- 内存碎片问题
- 分区的动态分配：第一适配；最佳适配；最差适配；
- 压缩式碎片整理
- 交换式碎片整理
内存碎片问题
分区的动态分配
首次适配
首次适配的基本原理和实现
简单实现
需求：按地址排序的空间块列表；
分配需要寻找一个合适的分区；
重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区；
首次适配的优势：简单；易于产生更大空闲块，向着地址空间的结尾。
劣势：容易产生外部碎片；不确定性。
最优适配
基本原理和实现：
为了避免分割大空闲块；
为了最小化外部碎片产生的尺寸；
需求：
按尺寸排列的空闲块列表
分配需要寻找一个合适的分区
重分配需要搜索及合并于相邻的空闲分区
优势：
当大部分分配是小尺寸时非常有效；
比较简单；
劣势：
外部碎片；
重分配慢；
易产生很多没用的细小碎片；
基本原理和实现：
为了避免有太多微小的碎片；
需求：
按尺寸排列的空间块列表；
分配很快；
重分配需要合并于相邻的空闲分区，若有，然后调整空闲块列表；
优势：加入分配是中等尺寸效果最好；
劣势：重分配慢，外部碎片，易于破碎大的空闲块以及分区无法被分配
3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理
压缩式碎片整理：
- 重置程序以合并孔洞
- 要求所有程序是动态可置的
- 议题：
何时重置？
开销