內(nèi)存的分配和回收

內(nèi)存的分配是為進(jìn)入系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行的程序分配內(nèi)存空間，內(nèi)存的回收是當(dāng)程序運(yùn)行完成后回收所占用的空間，系統(tǒng)為了完成這個(gè)功能，必須跟蹤記錄內(nèi)存空間的使用情況，按照一定的算法為進(jìn)程分配和回收空間。

分配存儲(chǔ)方案的因素：

存儲(chǔ)空間的描述結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)采用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)登記當(dāng)前的內(nèi)存使用情況以及空閑區(qū)的分布情況，供存儲(chǔ)分配使用。每次分配回收要修改這些數(shù)據(jù)。

分配的策略：確定安裝內(nèi)存的分配和回收算法，好的算法既能滿足進(jìn)程運(yùn)行需要，又能充分利用內(nèi)存空間。

存儲(chǔ)地址變換 用戶編程的時(shí)候無(wú)法預(yù)知確定程序在內(nèi)存的位置，只能采用邏輯地址編程，程序運(yùn)行的時(shí)候把程序的邏輯地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際地址，由內(nèi)存管理模塊與硬件的地址變換機(jī)構(gòu)共同完成。 1.符合地址 高級(jí)語(yǔ)言編程使用符號(hào)名，比如函數(shù)名，變量名語(yǔ)句標(biāo)號(hào)來(lái)表示操作對(duì)象或者轉(zhuǎn)移的地址，高級(jí)語(yǔ)言使用的空間是符合地址 2.邏輯地址 編譯程序?qū)⒃创a的語(yǔ)句逐條翻譯為機(jī)器指令，為每個(gè)變量分配存儲(chǔ)單元，并利用存儲(chǔ)單元地址替換變量名，這些指令和數(shù)據(jù)順序存放在一起，從0開(kāi)始編排地址，形成目標(biāo)代碼，目標(biāo)代碼所占據(jù)的地址范圍稱為邏輯地址空間，范圍0~n-1，n是目標(biāo)代碼長(zhǎng)度，邏輯地址空間的地址稱為邏輯地址或者相對(duì)地址。 3.物理地址 物理內(nèi)存由一系列的內(nèi)存單元組成，這些內(nèi)存單元從0開(kāi)始按字節(jié)編址，稱為內(nèi)存地址，當(dāng)目標(biāo)程序加載到內(nèi)存里時(shí)候，所占據(jù)的實(shí)際內(nèi)存空間就是它的物理存儲(chǔ)空間，物理空間不會(huì)從0開(kāi)始，因?yàn)閮?nèi)存的低端地址通常被操作系統(tǒng)占據(jù)，對(duì)比下圖可以理解。邏輯地址空間i的地址是96，真正的物理內(nèi)存空間時(shí)1120.

現(xiàn)在程序地址的變換采用的是動(dòng)態(tài)變換，程序裝入內(nèi)存的是不進(jìn)行變換，在執(zhí)行過(guò)程遇到邏輯地址，地址變換機(jī)構(gòu)進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，然后再執(zhí)行指令，特點(diǎn)是程序在內(nèi)存中可移動(dòng)，可共享。
內(nèi)存保護(hù) 1.雖然內(nèi)存的容量不斷提高，對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是不足，擴(kuò)充存儲(chǔ)器空間的基本思想是借用外來(lái)存儲(chǔ)空間擴(kuò)展內(nèi)存空間，方法是先讓程序的部分代碼進(jìn)入內(nèi)存，其他放在外存，需要的時(shí)候再調(diào)入內(nèi)存。實(shí)現(xiàn)方式有三種 1.覆蓋技術(shù) 將程序分為幾個(gè)模塊，重要的先進(jìn)入內(nèi)存，不重要的等需要的時(shí)候再進(jìn)入，不重要的共享一些內(nèi)存空間，用的時(shí)候覆蓋掉某個(gè)暫時(shí)不用的塊。缺點(diǎn)是編程的時(shí)候必須對(duì)程序進(jìn)行模塊劃分，復(fù)雜。不好 2.交換技術(shù) 多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候，往往有些程序因?yàn)榈却硞€(gè)事件暫時(shí)不能運(yùn)行，如果將暫時(shí)不執(zhí)行的程序放入外存，和覆蓋不一樣的是交換技術(shù)是以進(jìn)程為單位的，優(yōu)點(diǎn)是增加了程序并發(fā)的程序數(shù)目，對(duì)程序結(jié)構(gòu)沒(méi)有要求，缺點(diǎn)是對(duì)整個(gè)進(jìn)程換入換出操作浪費(fèi)很多時(shí)間。 3.虛擬存儲(chǔ)器
以上兩種內(nèi)存擴(kuò)充技術(shù)都不是虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，在編程人眼中，看到的還是實(shí)際內(nèi)存的大小，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)原理是將程序的部分代碼調(diào)入內(nèi)存，其余駐留在外存，需要時(shí)候調(diào)入，程序的代碼的換入換出完全由系統(tǒng)完成，用戶看到的是一個(gè)比實(shí)際內(nèi)存大得多的內(nèi)存。
程序局部性原理 實(shí)驗(yàn)證明，程序運(yùn)行的過(guò)程中，CPU不是隨機(jī)的訪問(wèn)整個(gè)程序或者數(shù)據(jù)范圍，而是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只集中訪問(wèn)程序或數(shù)據(jù)范圍，這種特性稱為局部性原理，局部性原理表明在進(jìn)程運(yùn)行的某個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)程地址空間只有部分是活動(dòng)的，其余處于不活動(dòng)狀態(tài)，可能長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)用到比如初始化和終止代碼，也可能根本不會(huì)用到，比如錯(cuò)誤處理代碼。它們完全沒(méi)有必要在內(nèi)存駐留，只有當(dāng)需要的時(shí)候在被調(diào)入內(nèi)存，可見(jiàn)局部性使得虛擬存儲(chǔ)成為可能。 虛擬存儲(chǔ)器原理 利用外存模擬內(nèi)存，在外存開(kāi)辟一個(gè)大的存儲(chǔ)空間，叫做交換區(qū)，進(jìn)程啟動(dòng)后部分代碼進(jìn)入內(nèi)存，其余的留在外存交換區(qū)，需要時(shí)候調(diào)入，和覆蓋不一樣的是覆蓋是用戶有意識(shí)的進(jìn)行，看到的內(nèi)存大小還是原來(lái)內(nèi)存大小，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)里，內(nèi)存和交換空間之間的交換完全是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)完成，應(yīng)用程序不會(huì)發(fā)覺(jué)，進(jìn)程看到的是一個(gè)比實(shí)際內(nèi)存大得多的虛擬內(nèi)存。與交換技術(shù)不同的是交換是以進(jìn)程為單位，進(jìn)程映像大小受實(shí)際內(nèi)存的限制，虛擬存儲(chǔ)進(jìn)程的邏輯空間可以超越實(shí)際內(nèi)存容量的限制。
讀寫(xiě)硬盤(pán)速度慢，訪問(wèn)虛擬存儲(chǔ)器速度比訪問(wèn)真正的內(nèi)存慢，以時(shí)間換空間，虛擬存儲(chǔ)器大小也受到地址寄存器位數(shù)限制。32位計(jì)算機(jī)，可訪問(wèn)內(nèi)存的上限是4GB。
虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 有虛擬頁(yè)和虛擬段存儲(chǔ)
下面介紹虛擬頁(yè)存儲(chǔ) VM系統(tǒng)將虛擬存儲(chǔ)器劃分為虛擬頁(yè)，固定大小處理數(shù)據(jù)，類似的物理存儲(chǔ)器也分割為物理頁(yè)，大小一樣。

MMU利用頁(yè)表實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬內(nèi)存的管理，CPU里面的虛擬基址寄存器指向當(dāng)前的頁(yè)表，n位虛擬地址包含兩個(gè)部分，一個(gè)是p為的虛擬地址偏移，一個(gè)是n-p位的虛擬頁(yè)號(hào)，MMU利用虛擬頁(yè)號(hào)選擇適當(dāng)?shù)捻?yè)表項(xiàng)，比如VPN0對(duì)應(yīng)PTE0，依次類推，如果沒(méi)有發(fā)生缺頁(yè)異常，就可以根據(jù)根據(jù)PTE里面的物理頁(yè)號(hào)和虛擬偏移量組合得到的物理地址。因?yàn)槲锢眄?yè)的大小和虛擬頁(yè)一樣，所以偏移量也正好相當(dāng)。

頁(yè)表命中過(guò)程 處理器生成一個(gè)虛擬的地址，傳送給MMUMMU生成PTE地址，并從高速緩存或者主存請(qǐng)求得到它高速緩存或者主存向MMU返回PTEMMU構(gòu)造物理地址，并把它發(fā)送給主存或者高速緩沖高速緩存或者主存把返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)返回給處理器
頁(yè)表不命中過(guò)程 處理器生成一個(gè)虛擬的地址，傳送給MMUMMU生成PTE地址，并從高速緩存或者主存請(qǐng)求得到它高速緩存或者主存向MMU返回PTE因?yàn)镻TE的有效位是0，觸發(fā)異常，進(jìn)行異常處理缺頁(yè)處理程序從主存確定一個(gè)要犧牲的頁(yè)，如果這個(gè)頁(yè)被修改了，就把它重寫(xiě)回磁盤(pán)。缺頁(yè)處理程序頁(yè)面調(diào)入新的頁(yè)面，并更新PTE缺頁(yè)處理程序返回原來(lái)的進(jìn)程，再次執(zhí)行導(dǎo)致缺頁(yè)的命令，CPU將原來(lái)的虛擬頁(yè)再次發(fā)給MMU,因?yàn)檫@次已經(jīng)緩存了所以不會(huì)產(chǎn)生異常。進(jìn)程地址空間管理
地址空間映射
文件映射：進(jìn)程的靜態(tài)鏡像以可執(zhí)行文件的形式駐留在硬盤(pán)，在創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候要構(gòu)造地址空間，方法是用可執(zhí)行文件的相應(yīng)的部分內(nèi)容構(gòu)建虛存區(qū)，映像不是被調(diào)入虛存區(qū)，而是在映像文件和虛存區(qū)之間建立地址映射這就是文件映射。建立映射的時(shí)候text區(qū)和data區(qū)被映射到磁盤(pán)上的可執(zhí)行文件，stack區(qū)無(wú)須映射，BSS和heap為匿名映射不和任何實(shí)際文件建立對(duì)應(yīng)的映射，BSS和heap的映射對(duì)象是一個(gè)抽象的“零頁(yè)“文件，映射到零頁(yè)文件的區(qū)將全是0.上述圖非虛存區(qū)是不可用的，唯一的例外是棧，棧的空間會(huì)隨著程序執(zhí)行動(dòng)態(tài)的增長(zhǎng)，棧大小低于上限（通常是8M)是可以增長(zhǎng)的，超出會(huì)棧溢出造成程序終止。 頁(yè)表映射： 頁(yè)表映像：文件映像只是將文件里面的映像映射到額虛存空間，進(jìn)入物理內(nèi)存的映像則是通過(guò)也表來(lái)映射的，建立了頁(yè)表映射的地址空間是進(jìn)程實(shí)際占用的可以直接訪問(wèn)的部分，就是圖中提到的已經(jīng)分配的。內(nèi)核里有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)核頁(yè)表，用來(lái)映射內(nèi)核空間到物理存儲(chǔ)的低1G空間，進(jìn)程運(yùn)行在用戶空間的時(shí)候使用進(jìn)程頁(yè)表，陷入內(nèi)核使用內(nèi)核頁(yè)表。