操作系统---内存管理

本文主要是介绍操作系统---内存管理，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

• 我们程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址；
• 实际存在硬件里面的空间地址叫做虚拟内存地址；
• 操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过CPU芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后通过物理地址访问内存；
• 操作系统管理虚拟地址与物理地址：内存分段和内存分页；
• 内存分段：程序由若干个逻辑分段组成的，如可由代码段、数据段、栈、堆等，不同的段有不同的属性，所以就用分段的形式把这些段分离出来；
• 分段机制下，虚拟地址和物理地址通过段选择因子和段内偏移量来映射；
• 内存分段所带来的问题：内存碎片、内存交换效率低下；
• 分段的好处是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题，由此产生了内存分页；
• 内存分页：分页是把整个虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小，这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫做页，在Linux下，每一页的大小为4KB；
• 分页机制下，虚拟内存与物理内存通过页表来映射，MMU就做将虚拟地址转换成物理地址的工作；
• 当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存，更新进程的页表，最后返回用户空间，回复进程的运行；
• 分页机制下，由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像分段产生间隙非常小的内存，因此不会产生内存碎片；且内存释放也是以页为单位进行释放，也就不会产生无法给进程使用的小内存；
• 换入换出：如果内存不够，操作系统会把其它正在运行的进程中的 最近未使用 的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出，一旦需要的时候，在加载进来，称为换入，所以一次性写入硬盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率相对高；
• 分页使得我们在加载程序时，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中，我们可以在进行虚拟内存和物理内存的页之间的映射之后，并不把页加载到物理内存中，而是在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存中；
• 分页机制下，虚拟内存和物理内存通过页表和页内偏移进行映射；
• 多级页表虽然解决了空间上的问题，但是虚拟地址到物理地址的转换就多了几道转换的工序，这显然降低了这两个地址转换的速度，也就是带来了时间上的开销；
• 程序是有局部性的，即在某一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一个部分，相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域；我们根据这一个特性，把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件，在CPU芯片中，加入了TLB（页表缓存），存放上述所说的页表；
• 在CPU芯片中，封装了内存管理单元（MMU），它用来完成地址转换和TLB的访问与交互；有了TLB后，那么CPU在寻址时，会先查TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。TLB的命中率还是挺高的，因为程序最常访问的页就那么几个；
• 段页式内存管理：分段和分页组合使用；实现方式如下：

1. 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面所说的分段机制；
2. 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；
3. 这样地址结构就由段号、段内页号、页内偏移三部分组成；

1、Linux内存管理？

• Linux主要采用的是页式内存管理，但同时也不可避免的涉及了段机制；
• Linux系统中的每个段都是从0地址开始的整个4GB虚拟空间，也就是所有的段的起始地址都是一样的。

2、在Linux操作系统中，虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间；

• 32位系统，内核空间占用1G，位于最高处，剩下的3GB是用户空间；
• 64位系统，内核空间和用户空间都是128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的是未定义的；

3、虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中内核空间，其实关联的都是相同的物理内存，这样进程切换到内核态后，就可以很方便的访问内核空间；

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