?內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)的，CPU可以直接尋址的存儲(chǔ)空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的叫做外存。

操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法主要包括以下幾種?：

連續(xù)內(nèi)存管理?：

?單一連續(xù)內(nèi)存管理?：內(nèi)存被分為系統(tǒng)區(qū)和用戶(hù)區(qū)，適用于單用戶(hù)、單任務(wù)的操作系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是管理簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是對(duì)內(nèi)存的利用率較低，容易造成內(nèi)存浪費(fèi)。

?分區(qū)式內(nèi)存管理?：將內(nèi)存劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域，每個(gè)分區(qū)可以裝入一個(gè)進(jìn)程。這種方式支持多道程序系統(tǒng)，但會(huì)造成內(nèi)碎片和外碎片，且分區(qū)總數(shù)固定，限制了并發(fā)執(zhí)行的程序數(shù)量。

?非連續(xù)內(nèi)存管理?：

?分頁(yè)存儲(chǔ)管理?：將進(jìn)程的地址空間分成若干頁(yè)，每個(gè)頁(yè)對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存塊。這種方式可以減少內(nèi)存碎片，提高內(nèi)存利用率，常用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)。

?分段存儲(chǔ)管理?：將進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)分成多個(gè)段，每個(gè)段可以分配到不同的內(nèi)存區(qū)域。這種方式靈活性高，適用于大型應(yīng)用程序。

?具體的內(nèi)存分配算法?：

?首次適應(yīng)算法(First Fit)?：從空閑分區(qū)鏈表的起始位置開(kāi)始查找，找到第一個(gè)滿(mǎn)足需求的空閑分區(qū)。

?循環(huán)首次適應(yīng)算法(Next Fit)?：從上一次分配過(guò)的空閑分區(qū)的下一個(gè)開(kāi)始查找，如果找不到合適的分區(qū)，則回到鏈表起始位置繼續(xù)查找。

?最佳適應(yīng)算法(Best Fit)?：從所有空閑分區(qū)中找出既能滿(mǎn)足需求又大小最小的分區(qū)。

?最壞適應(yīng)算法(Worst Fit)?：從所有空閑分區(qū)中找出既能滿(mǎn)足需求又大小最大的分區(qū)。

?其他相關(guān)技術(shù)?：

?伙伴系統(tǒng)?：用于管理大塊物理內(nèi)存的分配和釋放，通過(guò)2的冪次方的大小組合成伙伴塊，避免內(nèi)存碎片問(wèn)題。

?SLAB分配器?：用于管理小對(duì)象分配的內(nèi)存分配機(jī)制，通過(guò)維護(hù)不同的鏈表來(lái)提高小對(duì)象分配的效率。

?CMA(Contiguous Memory Allocator)?：用于分配連續(xù)物理內(nèi)存塊，適用于需要連續(xù)內(nèi)存的硬件驅(qū)動(dòng)和某些應(yīng)用場(chǎng)景。

?Huge Pages?：允許應(yīng)用程序使用更大的頁(yè)面(如2MB或1GB)，提高性能和內(nèi)存使用效率。

這些算法和技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制，確保高效、靈活地管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源。

內(nèi)存的基本概念

內(nèi)存，作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心資源，承載著程序與數(shù)據(jù)的即時(shí)存儲(chǔ)需求。它與CPU緊密相連，是CPU可直接尋址的存儲(chǔ)空間，而那些需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)才能訪問(wèn)的存儲(chǔ)設(shè)備則被稱(chēng)為外存。

ROM、RAM與Flash

內(nèi)存通常采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元，其類(lèi)型包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。ROM以讀取為主，數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失，而RAM則既可讀取也可寫(xiě)入，但數(shù)據(jù)在掉電后會(huì)消失。實(shí)際上，我們通常所說(shuō)的內(nèi)存主要指的是RAM。

此外，近年來(lái)閃存(Flash)已逐漸取代ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位。它融合了ROM和RAM的優(yōu)點(diǎn)，不僅具備電子可擦除可編程的特性，還能在斷電后保留數(shù)據(jù)，并支持快速數(shù)據(jù)讀取。

內(nèi)存管理方式

操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊負(fù)責(zé)分配、釋放和初始化系統(tǒng)的內(nèi)存資源，是操作系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一。根據(jù)內(nèi)存分配的連續(xù)性，內(nèi)存管理方式可分為兩大類(lèi)：連續(xù)內(nèi)存管理和非連續(xù)內(nèi)存管理。

連續(xù)內(nèi)存管理為進(jìn)程分配連續(xù)的內(nèi)存空間，但這種方式可能導(dǎo)致內(nèi)存碎片化，降低內(nèi)存利用率。而非連續(xù)內(nèi)存管理通過(guò)將進(jìn)程分散到多個(gè)不連續(xù)的內(nèi)存空間中，能有效減少內(nèi)存碎片，提高內(nèi)存使用效率。當(dāng)前主流的操作系統(tǒng)普遍采用這種非連續(xù)內(nèi)存管理方式。

然而，對(duì)于內(nèi)存資源有限的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于分配粒度較大，非連續(xù)內(nèi)存管理可能并不適用。因此，這類(lèi)系統(tǒng)通常采用連續(xù)內(nèi)存管理方式，其中分區(qū)式內(nèi)存管理是一種常用的方法。接下來(lái)，本文將深入探討嵌入式系統(tǒng)中常用的分區(qū)式內(nèi)存管理。

分區(qū)式內(nèi)存管理主要分為固定分區(qū)和動(dòng)態(tài)分區(qū)兩種方式。在固定分區(qū)方式中，內(nèi)存被預(yù)先劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域，這些區(qū)域的大小既可以相等也可以不等。這種管理方式的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致分區(qū)內(nèi)的碎片浪費(fèi)，并且分區(qū)的總數(shù)是固定的，從而限制了能夠并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)量。

相比之下，動(dòng)態(tài)分區(qū)管理則更加靈活。它根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際需求，動(dòng)態(tài)地為其分配所需的內(nèi)存空間。這種管理方式能夠更好地適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的變化，提高內(nèi)存的利用率。

動(dòng)態(tài)分區(qū)管理通常采用空閑鏈表法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法基于一個(gè)雙向鏈表來(lái)保存空閑分區(qū)的信息。在初始狀態(tài)下，整個(gè)內(nèi)存塊都被作為一個(gè)大的空閑分區(qū)加入到鏈表中。當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從鏈表中找到一個(gè)大小滿(mǎn)足要求的空閑分區(qū)進(jìn)行分配。如果找到的分區(qū)大于實(shí)際所需的內(nèi)存空間，那么系統(tǒng)會(huì)從該分區(qū)中拆分出所需大小的內(nèi)存并交給進(jìn)程使用，同時(shí)將拆分出的內(nèi)存從鏈表中移除，而剩下的內(nèi)存仍然保留在鏈表中作為新的空閑分區(qū)。

此外，空閑鏈表法有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式。這里介紹一種較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：每個(gè)空閑分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含該分區(qū)的大小信息，以及指向前一個(gè)分區(qū)和后一個(gè)分區(qū)的指針。通過(guò)這些指針，各個(gè)空閑分區(qū)被鏈接成一個(gè)雙向鏈表，方便系統(tǒng)進(jìn)行管理和分配。

內(nèi)存分配算法

First Fit(首次適應(yīng)算法)

在首次適應(yīng)算法中，空閑分區(qū)鏈表是按照地址從小到大的順序進(jìn)行鏈接的。當(dāng)需要分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從鏈表的起始位置開(kāi)始查找，直到找到第一個(gè)能夠滿(mǎn)足進(jìn)程需求的空閑分區(qū)為止。

Next Fit(循環(huán)首次適應(yīng)算法)

循環(huán)首次適應(yīng)算法是首次適應(yīng)算法的變種。在分配內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從上一次分配過(guò)的空閑分區(qū)的下一個(gè)位置開(kāi)始查找，直到找到一個(gè)能夠滿(mǎn)足進(jìn)程需求的空閑分區(qū)。如果搜索到鏈表的末尾仍然沒(méi)有找到合適的空閑分區(qū)，系統(tǒng)會(huì)回到鏈表的起始位置繼續(xù)查找。

Best Fit(最佳適應(yīng)算法)

最佳適應(yīng)算法旨在從所有空閑分區(qū)中找出既能滿(mǎn)足進(jìn)程需求又大小最小的空閑分區(qū)。為了提升查找效率，該算法將所有空閑分區(qū)按照容量從小到大進(jìn)行排序，并鏈接成一個(gè)鏈表。這樣，系統(tǒng)在查找時(shí)只需按照順序遍歷鏈表，第一次找到的滿(mǎn)足大小要求的內(nèi)存即為最小的空閑分區(qū)。