内存管理技术：从分页到分段

内存管理是计算机操作系统中的核心功能，它涉及到如何有效地分配、使用和回收内存资源，以确保多个进程能够同时高效地运行。本章主要介绍内存管理的基础知识，包括内存管理的背景、地址绑定、逻辑地址与物理地址空间的关系、动态加载与链接、以及具体的内存管理策略如换页、相邻内存分配、分页和分段等。 8.1 背景 在早期的计算机系统中，内存管理较为简单，随着计算机技术的发展，特别是多任务和多进程环境的出现，内存管理变得复杂。内存是由一系列具有唯一地址的字或字节组成的，CPU通过地址来访问这些内存单元，执行指令和数据交换。地址绑定是指将程序的逻辑地址转换为实际内存中的物理地址，这使得程序可以独立于其在内存中的具体位置运行。 8.1.2 地址绑定 地址绑定分为静态和动态两种方式。静态绑定在程序编译或链接时完成，而动态绑定则在程序运行时进行，这允许程序在不同内存区域执行，提高了内存利用率。 8.1.3 逻辑地址与物理地址空间 逻辑地址是程序执行时使用的地址，而物理地址是内存芯片上实际存储单元的地址。地址转换机制使得这两个地址空间可以分离，增强了系统的灵活性。 8.1.4 动态加载与动态链接 动态加载允许程序的一部分在需要时才加载到内存，节省了内存空间。动态链接则是将多个程序模块在运行时合并，减少了程序的启动时间和内存占用。 8.1.5 动态链接与共享库 动态链接库（DLL）或共享库是一种优化内存使用的方式，多个程序可以共享同一份库代码，减少内存需求。 8.2 换页与8.3 相邻内存分配 换页是处理虚拟内存的技术，将不常用的数据换出到硬盘，腾出内存空间给活跃数据。相邻内存分配涉及如何有效地分配连续的内存空间，以减少碎片并提高内存效率。 8.4 分页 分页是将内存划分为固定大小的页，每个进程有自己的虚拟地址空间，通过页表进行地址转换。基本方法包括全局页表和局部页表，硬件支持通常包括页表寄存器和TLB（快表）。页保护机制用于防止非法访问，共享页允许多个进程共享同一页面。 8.5 页表结构 页表是管理分页系统的关键，可以采用分级页表、哈希页表或反转页表等结构，以提高地址转换的效率。 8.6 分段 分段将内存分割为逻辑段，每个段代表程序的一个部分，如数据、代码或堆栈。段的长度可以灵活调整，且每个段有独立的地址空间。硬件支持通常包括段寄存器和段选择子。 8.7 奔腾架构的内存管理 Intel奔腾处理器支持分段和分页两种内存管理模式，Linux操作系统在奔腾架构上利用这些特性实现了高效的内存管理。 8.8 总结 内存管理是操作系统的关键组件，不同的管理策略适应不同的系统需求。理解这些基础知识有助于设计和优化内存管理，提高系统性能和资源利用率。