操作系统学习笔记 | 3. 物理内存管理 I 连续内存分配
主要内容
计算机体系结构与内存分层体系
地址空间与地址生成
连续内存分配
计算机体系结构与内存分层体系
硬件结构
计算机的基本硬件结构如下图所示：
主要包括三部分：CPU、内存、外设。 操作系统需要有效地管理 CPU 可访问的物理内存。
内存分层结构
计算机的分层内存结构如下图所示：
特点：
寄存器和Cache：位于CPU内部，速度最快，容量小，不直接受操作系统管理。
主存（物理内存）：容量大于寄存器和Cache，但速度较慢，数据在断电时丢失。
硬盘：用于数据持久化，速度最慢但容量最大。
内存的速度和容量形成金字塔式的分层，需要根据应用需求权衡使用。操作系统的主要内存管理目标包括：
抽象：提供逻辑地址空间。
保护：隔离各程序的内存空间。
共享：实现内存共享。
虚拟化：扩展地址空间。
操作系统内存管理方法
程序重定位
分段
分页
虚拟内存
按需分页虚拟内存
操作系统的实现高度依赖硬件条件，例如内存架构和MMU（内存管理单元）。
地址空间与地址生成
地址空间定义
物理地址空间：硬件支持的内存地址范围。
逻辑地址空间：程序运行时可用的内存范围。
二者通过操作系统建立的映射表关联，如下图所示：
操作系统负责管理逻辑地址到物理地址的映射关系，并进行安全检查以避免非法访问。
地址生成与安全
地址生成涉及逻辑地址到物理地址的映射过程。
地址空间安全通过检查防止非法地址访问。
连续内存分配
程序运行需要连续内存空间，涉及的主要问题和解决方法包括：
内存碎片问题
外部碎片：分配单元之间的未使用空间。
内部碎片：分配单元内部的未使用空间。
动态分区分配算法
第一适配
思路：找到第一个大小大于或等于需求的空闲块。
优点：简单、易于形成大块空闲空间。
缺点：可能产生外部碎片，不确定性较高。
最佳适配
思路：找到与需求最接近的空闲块。
优点：适合小尺寸分配。
缺点：易产生小碎片，重分配效率低。
最差适配
思路：选择最大的空闲块进行分配。
优点：适合中等大小分配。
缺点：易碎片化大块空间，重分配效率低。
内存碎片整理
压缩式碎片整理
方法：重置程序位置以合并空闲空间。
要求：程序必须支持动态重置。
问题：重置时间和开销较大。
交换式碎片整理
方法：将闲置程序数据从主存移至硬盘。
问题：需要确定替换对象及时机，存在性能开销。
总结
本节内容主要介绍了计算机内存分层结构、地址空间的定义与生成，以及连续内存分配中的常见问题和解决方法。
操作系统在内存管理中通过抽象、保护、共享和虚拟化的方式实现高效和安全的资源利用，不同的内存分配算法和碎片整理技术应根据具体应用场景选择，以优化性能和资源使用效率。