計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系

先來看這張計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)圖。

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系.png

從上圖可以看到，越在上面的訪問速度越快，但是容量越小，今天要說的就是內(nèi)存那個(gè)環(huán)節(jié)。

內(nèi)存是什么

• 內(nèi)存是可以記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)一種器件，它是連續(xù)的結(jié)構(gòu)，可以隨機(jī)讀寫，斷電會(huì)丟失數(shù)據(jù)，所有程序必須從磁盤加載到內(nèi)存中才能運(yùn)行。

內(nèi)存空間管理策略

• 上面說了內(nèi)存是一個(gè)連續(xù)的線性結(jié)構(gòu)，一個(gè)4G的內(nèi)存有很多個(gè)電容，把他們線性排在一起，那么就有0_{34359738367個(gè)可以存bit的空位，計(jì)算機(jī)一般把8個(gè)bit合成一個(gè)byte存放，那么就有0}4294967295個(gè)byte，寫成16進(jìn)制就是 0x0 ~ 0xFFFFFFFF個(gè)地址，這個(gè)就是內(nèi)存地址了，每個(gè)地址里面可以取出一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在有0xFFFFFFFF個(gè)地址，人們是怎么利用操作系統(tǒng)去管理和分配這些地址給程序使用的呢？

• 為了方便說明問題，我把內(nèi)存地址用10進(jìn)制表示，轉(zhuǎn)成16進(jìn)制也是一樣的，16進(jìn)制不太方便人腦計(jì)算。我不用4G的內(nèi)存講，因?yàn)樘嗔耍?到99的內(nèi)存空間即可說明問題。我盡量用通俗的語言說明問題，沒有很復(fù)雜的概念，復(fù)雜的概念請翻看《操作系統(tǒng)原理》。

虛擬內(nèi)存地址與實(shí)際物理地址

• 在說怎么管理內(nèi)存之前，先要說一下虛擬內(nèi)存地址，最開始人們在程序直接使用實(shí)際的物理地址，如下圖：
  假設(shè)程序a第一次啟動(dòng)被裝載在1的位置，第二次啟動(dòng)裝載在31的位置。
  程序a中有段代碼 jmp 3，想去執(zhí)行3那里的目標(biāo)代碼。
  

  物理地址.png
  
  顯然第一次jmp是對的，但第二次操作系統(tǒng)把裝在了31的位置，顯然目標(biāo)代碼應(yīng)該是33了，就應(yīng)該把程序改為jmp 33，否則就出錯(cuò)了。
  這就是直接使用物理地址的弊端，每次啟動(dòng)都要重新改代碼，或者把所有跳轉(zhuǎn)的地方都+30，很麻煩。所以現(xiàn)代程序都不直接使用物理地址，而是用了虛擬地址，如下圖
  
  地址轉(zhuǎn)換.png
  
  使用了虛擬地址后，每個(gè)程序就認(rèn)為自己是從0地址開始的就好了，不管加載到哪個(gè)地方，都不用在修改代碼，通過一個(gè)段表就可以把虛擬地址轉(zhuǎn)為實(shí)際的物理地址。

• 在編譯器debug中可以看到 0x0012fee8 這些都是虛擬地址，物理地址操作系統(tǒng)不允許直接訪問了。

  
  
  vc6.0.png

段式管理

• 最開始人們用段式管理，但是段式管理會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，過程如下圖
  
  內(nèi)存碎片.png
  
  當(dāng)程序c要加載進(jìn)內(nèi)存的時(shí)候，程序b前面的空間不夠了，只能從b后面分配，于是b前面的空間就不能給c利用，成為了內(nèi)存碎片。
• 操作系統(tǒng)為了避免這種情況，充分利用內(nèi)存空間，當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，會(huì)采取內(nèi)存緊縮，就是把所有程序都往左邊挪動(dòng)，全部緊緊的排在一起，但是實(shí)際中對4GB的內(nèi)存空間進(jìn)行緊縮的時(shí)候，需要5秒左右的時(shí)間，計(jì)算機(jī)經(jīng)?？C(jī)5秒你能忍？
• 程序c分配內(nèi)存的策略有首先適配法，最佳適配法等方法，考慮到篇幅就不展開講了，我上面用的就是首先適配法，從左到右首次找到一個(gè)合適位置就分配。

頁式管理

• 由于段式管理的缺點(diǎn)（外部碎片，內(nèi)存緊縮），人們后來發(fā)明了頁式管理，通俗來說，頁式管理就是把一定大小的物理空間當(dāng)做一個(gè)頁框，整個(gè)內(nèi)存中就有很多個(gè)這樣的頁框，比如0到99的內(nèi)存空間，按10個(gè)字節(jié)為一個(gè)頁框，那么整個(gè)內(nèi)存就分成了10頁框，0到9是第0個(gè)頁框，如下圖：
  
  頁框.png
  
  按照頁式管理劃分空間后，一個(gè)程序用一個(gè)頁框要么使用頁框全部空間，要么不能使用，不能說只用一點(diǎn)點(diǎn)，如果一個(gè)程序用不上那么多空間，也必須拿完，于是段式管理的外部碎片和內(nèi)存緊縮的問題被解決了，提高了內(nèi)存利用率，但是又產(chǎn)生內(nèi)存內(nèi)部碎片。
• 程序的頁和頁框的大小是一樣的，頁框大小如何確定？如果頁框太大，產(chǎn)生的內(nèi)部碎片也大，如果頁框太小，導(dǎo)致頁表變大，查找速度降低。例如4GB的內(nèi)存，按照4KB分為一頁，4GB / 4KB = 1048576項(xiàng)，查找起來自然慢了。

虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換過程

地址轉(zhuǎn)換.png

頁面置換算法

一個(gè)程序的部分頁面在內(nèi)存中，部分頁面在磁盤上，究竟怎么確定這些頁面？
我選幾個(gè)來說

• 先進(jìn)先出（FIFO）
  最簡單的，最先進(jìn)來的，就最先淘汰出去。缺點(diǎn)：有些頻繁訪問的頁面也可能淘汰出去。
• 二次機(jī)會(huì)（SC）
  最先進(jìn)來的頁面不一定最先出去，如果這個(gè)頁面的訪問標(biāo)志是1，那么把它置為0，再給它一次機(jī)會(huì)，如果頁面訪問標(biāo)志0，那么才置換出去。
• 最近未使用（NRU）
  每個(gè)頁面有兩個(gè)標(biāo)志位，標(biāo)記是否訪問，是否修改，顯然那么沒有怎么訪問，沒有修改的頁面會(huì)被淘汰出去。
• 最近最少使用（LRU）
  這個(gè)也很好理解，每個(gè)頁面有個(gè)計(jì)數(shù)器，訪問一次就加1，顯然把訪問次數(shù)很少的那些優(yōu)先淘汰。
• 此外還有老化算法，工作集算法，等等，限于篇幅（其實(shí)是我寫累了）就不詳細(xì)敘說了，我已經(jīng)寫了個(gè)實(shí)驗(yàn)代碼，在這里可以看到。

段頁式管理

最后是段頁式管理，結(jié)合了段式頁式的優(yōu)缺點(diǎn)，把程序先分段，在每個(gè)段內(nèi)再分頁，來管理內(nèi)存，windows操作系統(tǒng)就是用這個(gè)方法管理的，當(dāng)然實(shí)際中更加復(fù)雜，絕對沒有我說的這么簡單，我只是通俗的說清原理，詳情請看《操作系統(tǒng)原理》