操作系统的内存管理方式

操作系统的内存管理方式主要有连续分配方式、分页存储管理方式、分段存储管理方式以及段页式存储管理方式四种。

（1）连续分配方式

连续分配方式，是指操作系统为一个用户程序分配一个连续的内存空间。这种分配方式曾被广泛应用于20世纪60～70年代的OS中，它至今仍在内存分配方式中占有一席之地。又可把连续分配方式进一步分为单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配以及动态重定位分区分配四种方式。

连续分配方式会形成许多“碎片”，虽然可通过“紧凑”方法将许多碎片拼接成可用的大块空间，但须为之付出很大开销。如果允许将一个进程直接分散地装入到许多不相邻接的分区中，则无须再进行“紧凑”。基于这一思想而产生了离散分配方式。如果离散分配的基本单位是页，则称为分页存储管理方式；如果离散分配的基本单位是段，则称为分段存储管理方式。

（2）分页存储管理方式

页面和物理块

分页存储管理是将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面或页，并为各页加以编号，从0开始，如第0页、第1页等。相应地，也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块，称为（物理）块或页框（frame），也同样为它们加以编号，如 0#块、1#块等等。在为进程分配内存时，以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。

页面大小的选择

在分页系统中的页面其大小应适中。页面若太小，一方面虽然可使内存碎片减小，从而减少了内存碎片的总空间，有利于提高内存利用率，但另一方面也会使每个进程占用较多的页面，从而导致进程的页表过长，占用大量内存；此外，还会降低页面换进换出的效率。然而，如果选择的页面较大，虽然可以减少页表的长度，提高页面换进换出的速度，但却又会使页内碎片增大。因此，页面的大小应选择适中，且页面大小应是2的幂，通常为512B～8KB。

页表

在分页系统中，允许将进程的各个页离散地存储在内存不同的物理块中，但系统应能保证进程的正确运行，即能在内存中找到每个页面所对应的物理块。为此，系统又为每个进程建立了一张页面映像表，简称页表。在进程地址空间内的所有页（0～n），依次在页表中有一页表项，其中记录了相应页在内存中对应的物理块号。在配置了页表后，进程执行时，通过查找该表，即可找到每页在内存中的物理块号。可见，页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。

（3）分段存储管理方式

在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。例如，有主程序段MAIN、子程序段X、数据段D及栈段S等。每个段都有自己的名字。为了实现简单起见，通常可用一个段号来代替段名，每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间。段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而各段长度不等。整个作业的地址空间由于是分成多个段，因而是二维的，亦即，其逻辑地址由段号（段名）和段内地址所组成。

在分段式存储管理系统中，则是为每个分段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以离散地移入内存中不同的分区中。为使程序能正常运行，亦即，能从物理内存中找出每个逻辑段所对应的位置，应像分页系统那样，在系统中为每个进程建立一张段映射表，简称“段表”。每个段在表中占有一个表项，其中记录了该段在内存中的起始地址（又称为“基址”）和段的长度。段表可以存放在一组寄存器中，这样有利于提高地址转换速度，但更常见的是将段表放在内存中。

在配置了段表后，执行中的进程可通过查找段表找到每个段所对应的内存区。可见，段表是用于实现从逻辑段到物理内存区的映射。

（4）段页式存储管理方式

段页式系统的基本原理，是分段和分页原理的结合，即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。在段页式系统中，其地址结构由段号、段内页号及页内地址三部分所组成。

虚拟存储器与页面置换算法

虚拟存储器

前面部分介绍的各种存储器管理方式有一个共同的特点，即它们都要求将一个作业全部装入内存后方能运行，于是，出现了下面这样两种情况：

（1）有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存总容量，作业不能全部被装入内存，致使该作业无法运行。

（2）有大量作业要求运行，但由于内存容量不足以容纳所有这些作业，只能将少数作业装入内存让它们先运行，而将其它大量的作业留在外存上等待。

出现上述两种情况的原因，都是由于内存容量不够大。一个显而易见的解决方法，是从物理上增加内存容量，但这往往会受到机器自身的限制，而且无疑要增加系统成本，因此这种方法是受到一定限制的。另一种方法是从逻辑上扩充内存容量，这正是虚拟存储技术所要解决的主要问题。

程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分。相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。这个规律称为“局部性原理”。

基于局部性原理，应用程序在运行之前，没有必要全部装入内存，仅须将那些当前要运行的少数页面或段先装入内存便可运行，其余部分暂留在盘上。程序在运行时，如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执行下去；但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或缺段），此时程序应利用OS所提供的请求调页（段）功能（也即缺页中断），将它们调入内存，以使进程能继续执行下去。如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），则还须再利用页（段）的置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调至磁盘上，腾出足够的内存空间后，再将要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去。这样，便可使一个大的用户程序能在较小的内存空间中运行；也可在内存中同时装入更多的进程使它们并发执行。从用户角度看，该系统所具有的内存容量，将比实际内存容量大得多。但须说明，用户所看到的大容量只是一种感觉，是虚的，故人们把这样的存储器称为虚拟存储器。

由上所述可以得知，所谓虚拟存储器，是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。可见，虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理技术，故被广泛地应用于大、中、小型机器和微型机中。

备注：这里说的虚拟存储器，指的是虚拟内存VIRT空间，并非SWAP啦，不要搞混淆了哇。

页面置换算法

在进程运行过程中，若其所要访问的页面不在内存而需把它们调入内存，但内存已无空闲空间时，为了保证该进程能正常运行，系统必须从内存中调出一页程序或数据送磁盘的对换区中。但应将哪个页面调出，须根据一定的算法来确定。通常，把选择换出页面的算法称为页面置换算法（Page-Replacement Algorithms）。置换算法的好坏，将直接影响到系统的性能。

常用的页面置换算法有：

最佳（Optimal）置换算法
先进先出（FIFO）页面置换算法
最近最久未使用（LRU）置换算法
Clock置换算法
最少使用（LFU）置换算法
页面缓冲（PBA）算法

大页内存

随着计算需求规模的不断增大，应用程序对内存的需求也越来越大。为了实现虚拟内存管理机制，操作系统对内存实行分页管理。自内存“分页机制”提出之始，内存页面的默认大小便被设置为4096字节（4KB），虽然原则上内存页面大小是可配置的，但绝大多数的操作系统实现中仍然采用默认的4KB页面。4KB大小的页面在“分页机制”提出的时候是合理的，因为当时的内存大小不过几十兆字节，然而当物理内存容量增长到几G甚至几十G的时候，操作系统仍然以4KB大小为页面的基本单位，就不见得是最合理的。

页面大小太小时，为造成应用程序在执行时，会产生过多的缺页中断，从而大大影响到应用程序的性能。当把页面大小调大时，就可以缓解这样的问题。

学习资料参考于：
汤子瀛版《计算机操作系统》