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内存管理

内存管理的目的是为每个进程提供其私有的地址空间，并最大化物理内存 (RAM) 的利用率。

逻辑地址与物理地址​

  • 逻辑地址 (Logical Address)：由 CPU 产生。程序使用这些地址。
  • 物理地址 (Physical Address)：RAM 硬件中的实际位置。

MMU (内存管理单元) 是一个硬件组件，负责将逻辑地址实时转换为物理地址。

地址转换技术​

分段 (Segmentation)​

内存被划分为大小可变的段（例如：代码段、数据段、栈段）。

  • 优点：符合程序员对程序的理解。
  • 缺点：产生外部碎片 (External Fragmentation)（细碎且不连续的空闲内存）。

分页 (Paging)​

物理内存被划分为固定大小的块，称为页框 (Frames)。逻辑内存被划分为同样大小的块，称为页 (Pages)。

  • 优点：消除外部碎片；允许非连续的内存分配。
  • 缺点：产生内部碎片 (Internal Fragmentation)（最后一页/页框内未使用的空间）。

页表 (Page Table)​

内核中的一种数据结构，由 MMU 使用，存储从页号到页框号的映射。

  • TLB (转换后备缓冲区)：一种硬件缓存，存储最近使用的页到页框的转换结果，以加速内存访问。

虚拟内存 (Virtual Memory)​

虚拟内存允许进程在仅有一部分处于物理内存中时也能执行。

  • 请求分页 (Demand Paging)：仅在访问页时才将其加载到内存中。
  • 缺页中断 (Page Fault)：当进程访问当前不在内存中的页时触发的硬件异常。内核随后从磁盘（交换区/Swap area）获取该页。

页面置换算法​

当内存已满且需要加载新页时，操作系统必须选择一个页面进行置换。

  • FIFO (先进先出)：最简单，但容易出现 Belady 异常（分配更多页框反而导致更多缺页中断）。
  • LRU (最近最少使用)：置换最长时间未被访问的页。通常很高效，但难以在硬件中完美实现。
  • 时钟算法 (Clock/Second-Chance)：LRU 的一种实用近似。在页表项中使用一个“访问位”。

内核内存分配​

内核本身需要为其自身结构动态分配内存。

伙伴系统 (Buddy System)​

将大块内存分割为 2 的幂次方大小。当一个块被释放时，如果其“伙伴”可用，则与其合并。

  • 优点：分配和释放速度快；减少外部碎片。

Slab 分配器 (Slab Allocator)​

为频繁使用的内核对象（如 PCB、inode）预分配缓存。

  • 优点：对于特定对象大小无内部碎片；性能极高。