存储器管理

存储器管理：高效利用内存资源的核心机制

存储器管理是操作系统的核心功能之一，其核心目标是合理分配、管理和回收内存资源，确保多个程序能够高效、安全地共享有限的内存空间。以下从核心目标、关键技术及优化策略三个维度展开详细说明：

存储器管理需同时满足三个关键需求：

为解决连续分配方式导致的 “内存碎片” 问题，操作系统发展出多种离散分配技术，核心包括分页、分段及段页式存储管理。

分页是将内存 “化整为零” 的离散分配方式，通过固定大小的 “页” 实现内存高效利用。

核心原理：
- 将进程的逻辑地址空间划分为大小相等的页（如 4KB），每个页有唯一页号。
- 将物理内存划分为与页大小相同的物理块（又称页帧），物理块号作为内存地址的标识。
- 以页为单位将进程加载到离散的物理块中，通过页表记录页与物理块的映射关系。
地址结构：
逻辑地址由 “页号 + 页内偏移量” 组成。例如 32 位系统中，若页大小为 4KB（2¹²），则低 12 位为页内偏移量（确定页内具体位置），高 20 位为页号（最多支持 1M 个页）。
物理地址由 “页帧号 + 页内偏移量” 组成，通过页表查询页号对应的页帧号，即可拼接出实际物理地址。

页表的作用：
每个进程对应一张页表，存储 “页号→物理块号” 的映射关系，是逻辑地址到物理地址转换的关键。页表通常存放在内存中，进程执行时通过硬件（如地址转换机构）快速查询。
优缺点：
- 优点：内存利用率高（碎片小，仅存在页内碎片），分配与管理简单。
- 缺点：增加系统开销（页表占用内存）；可能产生 “抖动”（频繁的页面调入调出）。

分段是基于 “逻辑功能” 的离散分配方式，更贴合用户对程序的逻辑划分。

核心原理：
将用户程序的逻辑地址空间划分为大小不等的段（如代码段、数据段、堆栈段），每段代表一组相对完整的逻辑信息（如一个函数、一个数据结构）。内存分配以段为单位，段与段在内存中可离散存储。
段表的作用：
与分页类似，段式存储通过段表记录映射关系，但段表条目包含 “段号、基址（段在内存的起始地址）、段长（段的大小）”。由于段大小可变，段长字段用于检查地址是否越界（避免访问其他段的内存）。
优缺点：
- 优点：便于程序共享（如多个进程共享代码段），段内修改不影响其他段，符合用户逻辑。
- 缺点：内存利用率低（易产生段间碎片），碎片整合开销大。

结合分页和分段的优点，兼顾逻辑划分与内存高效利用。

核心原理：
1. 先将逻辑空间分为若干逻辑段（如分段），每段有独立段号。
2. 再将每个段划分为大小相等的页（如分页），物理内存仍以页为单位分配。
地址结构：
32 位系统中，地址由 “段号 + 页号 + 页内偏移量” 组成。例如，段号占 8 位（最多 256 个段），页号占 12 位（每段最多 4096 页），页内偏移量占 12 位（页大小 4KB）。

优缺点：
- 优点：空间浪费小（无大碎片）、共享与保护容易（基于段）、支持动态连接。
- 缺点：管理复杂（需段表和页表两级映射），系统开销大（硬件和内存占用增加），执行速度下降。

当程序需要访问的页面不在内存（缺页）时，需从外存调入页面，若内存已满，则需淘汰部分页面，这一过程由页面置换算法决定。

根据程序的局部性原理（最近被访问的页面未来更可能被访问），淘汰策略遵循：

算法名称	核心逻辑	特点
最优算法（OPT）	淘汰未来最长时间不被访问的页面	理论最优，但无法实现（需预知未来访问序列），作为其他算法的评价基准。
随机算法（RAND）	随机选择页面淘汰	简单但效率低，可能淘汰常用页面，导致频繁缺页。
先进先出（FIFO）	淘汰最早进入内存的页面	实现简单，但可能淘汰常用页面，产生 “Belady 异常”（内存增大，缺页率反而上升）。
最近最少使用（LRU）	淘汰最近一段时间内使用最少的页面	符合局部性原理，缺页率低，无抖动，但需记录访问时间，实现复杂度高（硬件支持）。