記憶體管理

為什麼要有記憶體管理

　　多道程式作業系統中，程序的併發執行依賴於CPU排程。CPU能訪問的儲存器只有記憶體和（處理器中的）暫存器（機器指令可以用記憶體地址作為引數）。
　　暫存器價格昂貴且儲存空間小，因此程序執行的指令以及指令使用的資料主要還是儲存在記憶體上。（如果這些資料不在記憶體中，CPU在使用前也需要將資料移到記憶體中）。
　　由上可見，CPU要執行的程序（指令和資料）需要儲存在記憶體中，（而記憶體的空間也是有限）， 那麼如果進行記憶體的管理就是一個問題了。

如何進行記憶體管理

　　要讓CPU執行的程序儲存在記憶體中，其實有兩個記憶體管理的方向

• 1. 交換：
  在程序要執行時（佔有CPU）再移入記憶體，記憶體中的程序不在執行時就移出記憶體。 由於交換（程序的滾入和滾出）有較大的時間開銷，因而標準的交換應用並不廣泛。

• 2. 在記憶體中儲存多個程序： 現代系統大多會在記憶體中儲存多個程序。

  　　我們知道作業系統本身儲存在核心中，進行記憶體管理要保證使用者程序不能訪問核心空間。另外，不同程序之間也不能互相訪問對方的記憶體空間，以免造成不合法的訪問。 因此，每個程序都應該有自己獨立的記憶體空間
  　　為了保證每個程序由自己獨立的記憶體空間，要為每個程序分配一塊記憶體空間，各個程序只能訪問分配給自己的記憶體空間。

地址繫結

　　程序在調入CPU執行時，系統會為其分配記憶體空間。程序在執行時，需要通過記憶體地址訪問其要使用的資料。然而，我們並不知道系統為程序分配的記憶體地址空間是那一段，也就是說在程式執行之前，我們並不知道資料所儲存的實體地址。 這樣的話，程式如何使用自己記憶體空間的資料呢。 系統設計人員提出了邏輯地址

連續記憶體的分配

　　CPU能併發執行多個程序，作業系統要為這些程序分配核心空間。程序執行結束後，作業系統需要回收記憶體空間。各個程序需要的空間大小不一致，如果要為每個程序分配連續的記憶體空間，那麼就會產生許多記憶體浪費（碎片）。即每個空閒的空間都不足以儲存要執行的程序，但是有許多比該程序所需空間小的記憶體，（這些記憶體的總和可能遠大於要執行的程序所需的記憶體空間）。
　　可以看出連續記憶體的分配有很大的侷限性。（儘管可以通過演算法進行一定的優化，但仍然不能滿足需求）。因此，為了提高記憶體空間的利用率，更好的方式就是支援給程序分配實體地址不連續的記憶體空間。　分頁和分段

分頁

　　分頁的原理是，把程序的邏輯記憶體空間劃分為許多個固定長度的小片（稱之為頁、page）。對應的，實體記憶體空間也分為許多個固定長度的小部分（稱為幀 frame）。 每個頁對應一個幀（幀不需要連續）。 這樣，再記憶體管理時，一個程序最多也就產生最後一頁的一部分的空間浪費。幾乎不會到時大的碎片（空間開銷）。
頁表：
　　分頁對記憶體管理的優化，最關鍵的就是使得分配給一個程序的記憶體不需要連續了，而是分配給程序一些不連續的幀。 既然如此，我們就需要為每個程序管理一張頁表，用於告訴程序它的頁分別對應到實體記憶體中的哪些幀。

分段

　　分段的基本思想是：將使用者程式地址空間分成若干個大小不等的段，每段可以定義一組相對完整的邏輯資訊。儲存分配時，以段為單位，段與段在記憶體中可以不相鄰接，也實現了離散分配。

分頁與分段的主要區別

分頁和分段有許多相似之處,比如兩者都不要求作業連續存放.但在概念上兩者完全不同,主要表現在以下幾個方面:
(1)頁是資訊的物理單位,分頁是為了實現非連續分配,以便解決記憶體碎片問題,或者說分頁是由於系統管理的需要.段是資訊的邏輯單位,它含有一組意義相對完整的資訊,分段的目的是為了更好地實現共享,滿足使用者的需要.
(2)頁的大小固定,由系統確定,將邏輯地址劃分為頁號和頁內地址是由機器硬體實現的.而段的長度卻不固定,決定於使用者所編寫的程式,通常由編譯程式在對源程式進行編譯時根據資訊的性質來劃分.
(3)分頁的作業地址空間是一維的.分段的地址空間是二維的.
　

小結

記憶體管理其實就是管理如何在記憶體中儲存程序的資訊。

• 我們可以在記憶體中儲存一個程序，也可以儲存多個程序。 如果記憶體中，儲存一個程序。那麼就需要在另一程序要執行時，將該程序交換進記憶體。這顯然要產生很多（程序滾入、滾出的）開銷。 因此 標準的交換 已經很少被用到。 （在虛擬記憶體的管理中，會發現一些改進的交換有了很廣泛的應用。）
• 如果在記憶體中儲存多個程序，那麼程序的地址空間就不是從0地址開始了，而又可能發生變化。（不確定程序滾入時，程序的基地址）。這就有了地址繫結和邏輯地址的概念。
• 多個程序如何在記憶體中儲存呢？連續儲存 開起來會產生很多碎片。 而分頁和分段則是優化記憶體管理的手段。