系統記憶體管理簡介

• 系統記憶體管理簡介
  • 常見的名詞解釋
  • 單塊記憶體管理法
  • 分區管理法
  • 頁式管理法
  • 幀與頁
  • 小結

系統以字為單位，將記憶體劃分為一個個存儲單位，每個存儲單位都有一個地址。指向地址的指針以字的大小為單位移動。目前常見的字單位為32位(4byte)或者64位(8byte)。

常見的名詞解釋

• 邏輯地址(logical address):僅對程式可見，從0開始計量
• 真實地址(physical addr):系統對記憶體的真實地址編號
• 地址聯編(addr binding):將邏輯地址映射到真實地址

就地址聯編這一塊，不同的記憶體管理方式聯編的方式也不同。邏輯與物理兩套地址的規劃，使得記憶體管理有極大的自由。程式編譯階段，使用地址就是邏輯地址，當機器碼loading進系統開始運行的時候，系統才開始地址聯編。這使得程式中地址表示是一致的，具體真實占用哪些地址，到地址聯編的決定。

單塊記憶體管理法

想象這樣一種理想狀況，系統中除了操作系統（OS）只有一個APP。那麼除了OS占用部分記憶體，剩下的都是APP進程的記憶體。

我們使用兩套地址管理，邏輯地址和物理地址。物理地址面向程式，從0開始計數，物理地址描述記憶體的實際地址規劃。

圖1中表示的是邏輯地址+基本地址=物理地址。基本地址A加上邏輯地址L，得到真實地址。

分區管理法

單塊記憶體管理中只允許單個APP運行，實際上記憶體可以容納多個APP同時運行。這時候的做法是將記憶體分為多個區，除了OS外，每一個APP占用一個連續、獨立的分區。

分區方式有：

• 固定分區：引導OS初期就固定分好區間，以後不再變
• 動態分區：根據需求動態分配區間，區間可以在記憶體中移動

無論單塊記憶體，還是分區記憶體，同樣遵循邏輯地址和真實地址兩套管理法。每個分區都有自己的一套邏輯地址，用於內部交流，但最終和系統交互的時候，都需要採用物理地址。即聯編方式，分區管理中地址信息存儲在寄存器中。基址寄存器存儲分區當前分區的起始位置，界限寄存器存儲分區的長度。當前進程的請求地址不可以超過分區長度。

那麼分區的大小如何決定，這取決於匹配進程的方式。總共有三種方式：

• 最先匹配：驗證當前記憶體往下走，第一個符合進程需求的大小分配分區
• 最佳匹配：尋找可用容器中最小的分區
• 最差匹配：尋找最大的符合進城需求的分區

前兩者適用於固定分區，便於節省記憶體。

最後一個符合動態分區，動態分配要求儘量滿足當前需求，後期再進行調整。連續的小空分區，可以合併成一個大的空分區。並且作業也可以在記憶體中移動，以空出更大的空間，成為壓縮。

最後，無論是固定分區還是動態分區，整個進程必須同時載入記憶體中，一個分區必須能夠容納整個APP。這也就可以看出頁式記憶體管理的優越性，他引出了虛擬記憶體的的概念。

頁式管理法

頁式管理同樣遵循邏輯地址和物理地址的概念，但是這裡啟用兩個新的概念，幀面向物理地址，頁面向進程地址。

頁式管理中，將進程(Process)以頁為單位分割，同時將記憶體劃分為一個個幀。頁和幀可以大小不同，為了方便起見，這裡將其視為相同。

總結下來，幀描述記憶體，頁描述進程。記憶體載入進程的方式是通過幀載入頁。

程式面向的是頁地址，這時地址聯編需要找的是幀，這就需要一本字典，即PMT（page map table）。每一個進程都需要維護一張PMT，表中記錄每一個頁對應的幀。

這樣的規劃管理上增加了複雜度，但是好處也是巨大的。

無論是單塊記憶體管理還是分區管理，都需要整塊連續的記憶體用來存儲進程，相比頁式管理記憶體的利用率則相差太多。分區管理中，如果找不到能夠容納整個進程的連續地址，則無法載入進程。頁式管理中，記憶體和頁都是一塊塊的，他們分散在各處，無需專門開闢一塊連續的空間，記憶體可以見縫插針為頁分配可用的頁。

同時，分頁記憶體管理的方式也引入了請求分頁和虛擬記憶體的概念。請求分頁意思是，由於CPU同一時刻只需要進程的部分數據，因此就不必將整個進程都載入進記憶體。當某些頁面被需要的時候，系統先訪問記憶體，如果該頁面不存在，則訪問二級存儲將信息載入進記憶體，與此同時，新的頁面加入使得原有的頁面退出該幀的使用，該過程稱為頁面交換。

請求分頁的引入使得有時候，記憶體好像無限大一樣，記憶體載入的進程的總大小遠遠大於記憶體大小，這種現象稱為虛擬記憶體。

頁面交互大大提高了記憶體的利用率，但是當頁面頻繁交換的時候，交換過程占用過多的時間，使得進程顯得不穩定，表現為使用不斷地卡頓，這個現象稱為系統顛簸。

幀與頁

幀就是大小固定的記憶體塊，比如為1024。頁就是進程地址，表示為一個坐標<頁位置，偏移量>。系統中(邏輯地址/1024)的商為頁面位置，餘數為偏移量。因此，頁坐標不得大於幀大小。根據頁坐標和PMT就可找到物理地址（幀地址）。這就形成了從邏輯地址到物理地址的閉環。（僅憑記憶回顧，存疑）

小結

最後總結一下頁式管理法。一個APP載入系統，在系統表現為進程，一個或者多個。系統為每一個進程分配記憶體，將Process分割成頁，將記憶體分割成幀。之後，根據情況為頁分配幀，同時給每一個進程維護一張PMT用於地址聯編。

參考

• 《電腦科學概論》