科普文：linux系列之操作系统内存管理简介

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。