计算机存储体系

先来看这张计算机存储体系结构图。

计算机存储体系.png

从上图可以看到，越在上面的访问速度越快，但是容量越小，今天要说的就是内存那个环节。

内存是什么

• 内存是可以记录二进制数据一种器件，它是连续的结构，可以随机读写，断电会丢失数据，所有程序必须从磁盘加载到内存中才能运行。

内存空间管理策略

• 上面说了内存是一个连续的线性结构，一个4G的内存有很多个电容，把他们线性排在一起，那么就有0_{34359738367个可以存bit的空位，计算机一般把8个bit合成一个byte存放，那么就有0}4294967295个byte，写成16进制就是 0x0 ~ 0xFFFFFFFF个地址，这个就是内存地址了，每个地址里面可以取出一个字节的数据。

现在有0xFFFFFFFF个地址，人们是怎么利用操作系统去管理和分配这些地址给程序使用的呢？

• 为了方便说明问题，我把内存地址用10进制表示，转成16进制也是一样的，16进制不太方便人脑计算。我不用4G的内存讲，因为太多了，用0到99的内存空间即可说明问题。我尽量用通俗的语言说明问题，没有很复杂的概念，复杂的概念请翻看《操作系统原理》。

虚拟内存地址与实际物理地址

• 在说怎么管理内存之前，先要说一下虚拟内存地址，最开始人们在程序直接使用实际的物理地址，如下图：
  假设程序a第一次启动被装载在1的位置，第二次启动装载在31的位置。
  程序a中有段代码 jmp 3，想去执行3那里的目标代码。
  

  物理地址.png
  显然第一次jmp是对的，但第二次操作系统把装在了31的位置，显然目标代码应该是33了，就应该把程序改为jmp 33，否则就出错了。
  这就是直接使用物理地址的弊端，每次启动都要重新改代码，或者把所有跳转的地方都+30，很麻烦。所以现代程序都不直接使用物理地址，而是用了虚拟地址，如下图
  地址转换.png
  使用了虚拟地址后，每个程序就认为自己是从0地址开始的就好了，不管加载到哪个地方，都不用在修改代码，通过一个段表就可以把虚拟地址转为实际的物理地址。

• 在编译器debug中可以看到 0x0012fee8 这些都是虚拟地址，物理地址操作系统不允许直接访问了。

  
  vc6.0.png

段式管理

• 最开始人们用段式管理，但是段式管理会产生内存碎片，过程如下图
  内存碎片.png
  当程序c要加载进内存的时候，程序b前面的空间不够了，只能从b后面分配，于是b前面的空间就不能给c利用，成为了内存碎片。
• 操作系统为了避免这种情况，充分利用内存空间，当内存不够的时候，会采取内存紧缩，就是把所有程序都往左边挪动，全部紧紧的排在一起，但是实际中对4GB的内存空间进行紧缩的时候，需要5秒左右的时间，计算机经常卡机5秒你能忍？
• 程序c分配内存的策略有首先适配法，最佳适配法等方法，考虑到篇幅就不展开讲了，我上面用的就是首先适配法，从左到右首次找到一个合适位置就分配。

页式管理

• 由于段式管理的缺点（外部碎片，内存紧缩），人们后来发明了页式管理，通俗来说，页式管理就是把一定大小的物理空间当做一个页框，整个内存中就有很多个这样的页框，比如0到99的内存空间，按10个字节为一个页框，那么整个内存就分成了10页框，0到9是第0个页框，如下图：
  页框.png
  按照页式管理划分空间后，一个程序用一个页框要么使用页框全部空间，要么不能使用，不能说只用一点点，如果一个程序用不上那么多空间，也必须拿完，于是段式管理的外部碎片和内存紧缩的问题被解决了，提高了内存利用率，但是又产生内存内部碎片。
• 程序的页和页框的大小是一样的，页框大小如何确定？如果页框太大，产生的内部碎片也大，如果页框太小，导致页表变大，查找速度降低。例如4GB的内存，按照4KB分为一页，4GB / 4KB = 1048576项，查找起来自然慢了。

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虚拟地址到物理地址转换过程

地址转换.png
上图还有个在不在位，这个位表示如果程序的页在页框中，那么直接转换，如果不在页框中，那么引发一个缺页中断，操作系统去磁盘上把缺失的页加载进内存，然后程序才继续往下运行。这里有个重点，运行中的程序不一定全部在内存中，也有可能在磁盘上，在磁盘上的那部分叫做虚拟内存！，那究竟程序的哪些页面在内存中，哪些页面在磁盘上，这里就涉及到页面置换算法

页面置换算法

一个程序的部分页面在内存中，部分页面在磁盘上，究竟怎么确定这些页面？
我选几个来说

• 先进先出（FIFO）
  最简单的，最先进来的，就最先淘汰出去。缺点：有些频繁访问的页面也可能淘汰出去。
• 二次机会（SC）
  最先进来的页面不一定最先出去，如果这个页面的访问标志是1，那么把它置为0，再给它一次机会，如果页面访问标志0，那么才置换出去。
• 最近未使用（NRU）
  每个页面有两个标志位，标记是否访问，是否修改，显然那么没有怎么访问，没有修改的页面会被淘汰出去。
• 最近最少使用（LRU）
  这个也很好理解，每个页面有个计数器，访问一次就加1，显然把访问次数很少的那些优先淘汰。
• 此外还有老化算法，工作集算法，等等，限于篇幅（其实是我写累了）就不详细叙说了，我已经写了个实验代码，在这里可以看到。

段页式管理

最后是段页式管理，结合了段式页式的优缺点，把程序先分段，在每个段内再分页，来管理内存，windows操作系统就是用这个方法管理的，当然实际中更加复杂，绝对没有我说的这么简单，我只是通俗的说清原理，详情请看《操作系统原理》