科普文:linux系列之操作系统内存管理简介

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作者
筋斗云
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概叙

操作系统内存管理是计算机系统中的核心技术之一,页式管理、段式管理和段页式管理各有优缺点。页式管理通过固定大小的页框减少了外部碎片,但可能导致内部碎片;段式管理符合程序逻辑,提供了灵活的内存保护,但可能导致外部碎片;段页式管理结合了两者的优点,但增加了复杂性。

在实际应用中,不同操作系统可能采用不同的内存管理方式。例如,Linux系统采用的是页式管理,而Windows系统则采用段页式管理。了解这些内存管理技术,有助于我们更好地理解和优化计算机系统的性能。

希望这篇文章能帮助大家更好地理解操作系统的内存管理。

内存管理方式有很多种,今天我们主要讨论页式管理、段式管理和段页式管理。

内存管理的基本概念

在现代计算机系统中,内存是关键资源之一。操作系统负责管理内存,以确保程序能高效、可靠地运行。内存管理的核心任务是将物理内存分配给进程,同时保护进程不互相干扰。为此,操作系统需要解决以下问题:

  • 内存分配:将内存分配给不同的进程。

  • 内存保护:防止一个进程访问另一个进程的内存。

  • 地址转换:将虚拟地址转换为物理地址。

  • 内存回收:回收已终止进程的内存

页式管理

1. 基本概念

页式管理(Paging)是最常用的内存管理方式之一。它将物理内存分成固定大小的块,称为页框(Frame),同时将程序的逻辑地址空间也分成同样大小的块,称为页(Page)。页框和页的大小通常是相同的,例如4KB。

2. 地址转换

在页式管理中,逻辑地址被分为两部分:页号和页内偏移量。地址转换通过页表(Page Table)完成,页表记录了每个页对应的页框号。具体步骤如下:

  1. 从逻辑地址中提取页号。

  2. 在页表中查找页号对应的页框号。

  3. 用页框号和页内偏移量计算物理地址。

3. 页表结构

页表的结构可能有多种形式,例如单级页表和多级页表。单级页表较简单,但对大内存不够高效。多级页表通过分级管理页表,减少了内存占用,提高了查找效率。

4. 页式管理的优点和缺点

  • 消除外部碎片:所有页大小相同,避免了外部碎片。

  • 简化内存分配:固定大小的页框简化了内存管理。

  • 增加页表开销:需要大量内存存储页表,特别是多级页表。

  • 内部碎片:最后一个页框可能未被完全使用,导致内部碎片。

  • 优点

    • 消除外部碎片:所有页大小相同,避免了外部碎片。

    • 简化内存分配:固定大小的页框简化了内存管理。

  • 缺点

    • 增加页表开销:需要大量内存存储页表,特别是多级页表。

    • 内部碎片:最后一个页框可能未被完全使用,导致内部碎片。

段式管理

1. 基本概念

段式管理(Segmentation)将程序的逻辑地址空间分为若干段(Segment),每段有不同的长度和属性。例如,代码段、数据段和堆栈段。每个段有一个段号和一个段内偏移量。

2. 地址转换

段式管理使用段表(Segment Table)进行地址转换。段表记录了每个段的基地址和段长。具体步骤如下:

  1. 从逻辑地址中提取段号。

  2. 在段表中查找段号对应的基地址和段长。

  3. 用基地址和段内偏移量计算物理地址。

3. 段表结构

段表记录每个段的基地址和段长,可以是单级段表,也可以是多级段表。多级段表用于管理大规模的段。

4. 段式管理的优点和缺点

  • 符合编程逻辑:段的划分更符合程序的逻辑结构,例如代码段和数据段。

  • 灵活的内存保护:不同段可以有不同的保护属性,提高了内存保护的灵活性。

  • 外部碎片:段的大小不固定,可能导致外部碎片。

  • 复杂的地址转换:段表管理和地址转换较为复杂。

  • 优点

    • 符合编程逻辑:段的划分更符合程序的逻辑结构,例如代码段和数据段。

    • 灵活的内存保护:不同段可以有不同的保护属性,提高了内存保护的灵活性。

  • 缺点

    • 外部碎片:段的大小不固定,可能导致外部碎片。

    • 复杂的地址转换:段表管理和地址转换较为复杂。

段页式管理

1. 基本概念

段页式管理(Segmented Paging)结合了页式管理和段式管理的优点。它先将逻辑地址空间分为若干段,每段再分为若干页。段页式管理既有段表,也有页表。

2. 地址转换

段页式管理的地址转换过程分两步:

  1. 从逻辑地址中提取段号和段内地址。

  2. 段表查找段号对应的基地址和段长,得到页表基地址。

  3. 页表查找页号对应的页框号,计算物理地址。

3. 段页式管理的优点和缺点

  • 减少外部碎片:页式管理减少了外部碎片问题。

  • 灵活的内存保护:段式管理提供了灵活的内存保护机制。

  • 增加复杂性:地址转换需要两级查找,增加了复杂性和开销。

  • 优点

    • 减少外部碎片:页式管理减少了外部碎片问题。

    • 灵活的内存保护:段式管理提供了灵活的内存保护机制。

  • 缺点

    • 增加复杂性:地址转换需要两级查找,增加了复杂性和开销。

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