操作系统中的内存管理：从覆盖到分页与分段

"操作系统\ 内存管理.pdf" 操作系统中的内存管理是计算机系统的重要组成部分，它确保了多个程序能够高效、安全地共享有限的内存资源。以下是对内存管理相关知识点的详细阐述： 9.1 背景与基本概念 内存管理主要关注如何将程序的虚拟地址空间映射到物理内存上，以及如何有效地使用和分配内存资源。它包括以下几个方面： - **覆盖(Overlays)**：早期计算机内存有限，通过覆盖技术，只将当前执行部分的代码和数据加载到内存中，从而节省内存。 - **交换(Swapping)**：当内存不足时，操作系统会将内存中的进程换出到硬盘的交换区，腾出空间给其他进程使用。 - **连续分配(Contiguous Allocation)**：每个进程被分配一块连续的内存空间，简单但不适用于内存碎片问题。 - **分页(Paging)**：将内存划分为固定大小的页，程序也被分割成页，通过页表进行地址转换。 - **分段(Segmentation)**：根据程序逻辑结构划分内存，每个部分称为一个段，增强了内存管理的灵活性。 - **支持分页的分段(Segmentation with Paging)**：结合分页和分段的优点，每个段内部再进行分页处理。 9.2 背景 程序在运行前需要经过装入内存和放入进程空间的过程。输入队列是磁盘上等待被载入内存运行的进程集合，这些进程在执行前需要经过一系列步骤，如编译、链接和加载等。 9.3 地址绑定 程序中的指令和数据与内存地址的关联可以发生在三个阶段： - **编译时(Compiletime)**：如果内存位置已知，可以生成绝对地址，但若内存起始位置改变，则需重新编译代码。 - **装载时(Loadtime)**：装载时动态确定地址，允许程序在不同内存位置运行，但可能导致重定位开销。 - **执行时(Executiontime)**：运行时动态绑定，最灵活但复杂，例如基于虚拟地址空间的系统。 9.4 地址类型 程序中存在以下类型的地址： - **逻辑地址(Logical Address)**：程序执行时使用的地址，对应于虚拟内存空间。 - **线性地址(Linear Address)**：在没有分段的系统中，逻辑地址与线性地址相同，但在分段系统中，线性地址是段基址加上段内偏移。 - **物理地址(Physical Address)**：实际内存中的地址，处理器直接访问。 9.5 地址绑定的特点 - **编译时绑定**：效率高，但缺乏灵活性。 - **装载时绑定**：提供了一些灵活性，但可能需要重定位操作。 - **执行时绑定**：最灵活，支持动态加载和动态链接，但增加了硬件和软件的复杂性。 内存管理的目标是优化内存利用率、提高系统性能、防止数据冲突，并确保程序的隔离和安全性。操作系统通过内存分配、页面替换策略、内存保护等手段来实现这些目标。例如，页替换算法如LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）等用于决定何时将哪些页换出到磁盘。内存保护则通过权限位防止进程之间非法访问。 内存管理是操作系统设计的关键，其技术和策略对系统的性能和稳定性有着深远影响。