操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法
本文主要介紹內(nèi)存的基本概念以及操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法。
一、內(nèi)存的基本概念
內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中除了處理器以外最重要的資源，用于存儲當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存是相對于CPU來說的，CPU可以直接尋址的存儲空間叫做內(nèi)存，CPU需要通過驅(qū)動才能訪問的叫做外存。
二、ROM&RAM&Flash
內(nèi)存一般采用半導體存儲單元，分為只讀存儲器（ROM，Read Only Memory）、隨機存儲器（RAM，Random Access Memory）ROM一般只能讀取不能寫入，掉電后其中的數(shù)據(jù)也不會丟失。RAM既可以從中讀取也可以寫入，但是掉電后其中的數(shù)據(jù)會丟失。內(nèi)存一般指的就是RAM。
ROM在嵌入式系統(tǒng)中一般用于存儲BootLoader以及操作系統(tǒng)或者程序代碼或者直接當硬盤使用。近年來閃存（Flash）已經(jīng)全面代替了ROM在嵌入式系統(tǒng)中的地位，它結(jié)合了ROM和RAM的長處，不僅具備電子可擦除可編程的特性，而且斷電也不會丟失數(shù)據(jù)，同時可以快速讀取數(shù)據(jù)。
從分配內(nèi)存是否連續(xù)，可以分為兩大類。
連續(xù)內(nèi)存管理
非連續(xù)內(nèi)存管理
將進程分散到多個不連續(xù)的內(nèi)存空間中，可以減少內(nèi)存碎片，內(nèi)存使用率更高。如果分配的基本單位是頁，則稱為分頁內(nèi)存管理；如果基本單位是段，則稱為分段內(nèi)存管理。
當前的操作系統(tǒng)，普遍采用非連續(xù)內(nèi)存管理方式。不過因為分配粒度較大，對于內(nèi)存較小的嵌入式系統(tǒng)，一般采用連續(xù)內(nèi)存管理。本文主要對嵌入式系統(tǒng)中常用的連續(xù)內(nèi)存管理的分區(qū)式內(nèi)存管理進行介紹。
固定分區(qū)
事先就把內(nèi)存劃分為若干個固定大小的區(qū)域 。分區(qū)大小既可以相等也可以不等。固定分區(qū)易于實現(xiàn)，但是會造成分區(qū)內(nèi)碎片浪費，而且分區(qū)總數(shù)固定，限制了可以并發(fā)執(zhí)行的進程數(shù)量。 動態(tài)分區(qū)
根據(jù)進程的實際需要，動態(tài)地給進程分配所需內(nèi)存。
動態(tài)分區(qū)管理一般采用空閑鏈表法，即基于一個雙向鏈表來保存空閑分區(qū)。對于初始狀態(tài)，整個內(nèi)存塊都會被作為一個大的空閑分區(qū)加入到空閑鏈表中。當進程申請內(nèi)存時，將會從這個空閑鏈表中找到一個大小滿足要求的空閑分區(qū)。如果分區(qū)大于所需內(nèi)存，則從該分區(qū)中拆分出需求大小的內(nèi)存交給進程，并將此拆分出的內(nèi)存從空閑鏈表中移除，剩下的內(nèi)存仍然是一個掛在空閑鏈表中的空閑分區(qū)。
空閑鏈表法有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，這里介紹一種較為簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個空閑分區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含分區(qū)的大小，以及指向前一個分區(qū)和后一個分區(qū)的指針，這樣就能將各個空閑分區(qū)鏈接成一個雙向鏈表。
First Fit（首次適應(yīng)算法）
First Fit要求空閑分區(qū)鏈表以地址從小到大的順序鏈接。分配內(nèi)存時，從鏈表的第一個空閑分區(qū)開始查找，將最先能夠滿足要求的空閑分區(qū)分配給進程。
Next Fit（循環(huán)首次適應(yīng)算法）
Best Fit（最佳適應(yīng)算法）
Worst Fit（最壞適應(yīng)算法）
Two LevelSegregated Fit（TLSF）
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Buddysystems（伙伴算法）
1、計算一個i值，使得2i-1<n≤2i
2、在空閑分區(qū)大小為2i的空閑鏈表中查找
3、如果找到空閑塊，則分配給進程
4、如果2i的空閑分區(qū)已經(jīng)耗盡，則在分區(qū)大小為2i+1的空閑鏈表中查找
6、如果2i+1的空閑分區(qū)還是不存在，則繼續(xù)查找大小為2i+2的空閑分區(qū)。如果找到，需要進行兩次拆分。第一次拆分為兩塊大小為2i+1的分區(qū)，一塊分區(qū)掛到大小為2i+1的空閑鏈表中，另一塊分區(qū)繼續(xù)拆分為兩塊大小為2i的空閑分區(qū)，一塊分配給進程，另一塊掛到大小為2i的空閑鏈表中
7、如果2i+2的空閑分區(qū)也找不到，則繼續(xù)查找2i+3，以此類推
| 內(nèi)存算法 |
優(yōu)點 |
缺點 |
| First Fit | 高地址空間大空閑塊被保留 | 低地址空間被不斷拆分，造成碎片；每次都從第一個空閑分區(qū)開始查找，增加了查找時的系統(tǒng)開銷 |
| Next Fit | 空閑分區(qū)分布比較均勻，算法開銷小 | 缺乏大內(nèi)存空閑塊 |
| Best Fit | 用最小內(nèi)存滿足要求，保留大內(nèi)存空閑塊 | 每次分配后所拆分出來的剩余空閑內(nèi)存總是最小的，造成許多小碎片，算法開銷大 |
| Worst Fit | 每次分配后所拆分出來的剩余空閑內(nèi)存仍較大，減少小碎片產(chǎn)生 | 缺乏大內(nèi)存空閑塊，算法開銷大 |
| TLSF | 查找效率高，時間復雜度小，碎片問題表現(xiàn)良好 | 內(nèi)存回收時算法復雜，系統(tǒng)開銷大 |
| Buddy systems | 內(nèi)部碎片比較嚴重 | 外部碎片較少 |
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