Question

内存管理的基本问题

Answer 1

内存管理
　　操作系统对内存的划分和动态分配，就是内存管理的概念。有效的内存管理在多道程序设计中非常重要，不仅方便用户使用存储器、提高内存利用率，还可以通过虚拟技术从逻辑上扩充存储器。内存管理的功能有：

内存空间的分配与回收
地址转换：在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。
内存空间的扩充：利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。
程序装入和链接
　　创建进程首先要将程序和数据装入内存。将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几个步骤：

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块。
链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
装入：由装入程序将装入模块装入内存运行。

　　程序的链接有以下三种方式：

静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开。
装入时动态链接：将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，釆用边装入边链接的链接方式。
运行时动态链接：对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行的链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
　　模块在装入内存时，同样有以下三种方式：

绝对装入。在编译时，如果知道程序将驻留在内存的某个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。绝对装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，故不需对程序和数据的地址进行修改。
可重定位装入。在多道程序环境下，多个目标模块的起始地址通常都是从0开始，程序中的其他地址都是相对于起始地址的,此时应釆用可重定位装入方式。根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定位，地址变换通常是在装入时一次完成的，所以又称为静态重定位。静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业。此外，作业一旦进入内存后，在整个运行期间不能在内存中移动，也不能再申请内存空间。
动态运行时装入，也称为动态重定位，程序在内存中如果发生移动，就需要釆用动态的装入方式。装入程序在把装入模块装入内存后，并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此，装入内存后的所有地址均为相对地址，这种方式需要一个重定位寄存器的支持。动态重定位的特点是可以将程序分配到不连续的存储区中；在程序运行之前可以只装入它的部分代码即可投入运行，然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存；便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。

Answer 2

内存管理的基本问题：

什么是内存管理?

内存管理就是要确保有尽可能多的可用内存空间来执行新程序、数据和进程。由于内存会被系统的多个部分使用，内存分配和内存管理可以采用不同的形式。

操作系统——像Microsoft Windows和Linux这样的操作系统，可以使用物理RAM以及硬盘交换空间来管理总的可用内存池。

编程语言——C编程语言要求开发人员直接管理内存的使用情况，而其他语言，例如Java和C#，则提供自动内存管理。

应用程序——应用程序会消耗和管理内存，但是其内存管理能力常常受到底层语言和操作系统定义的限制。

存储内存管理——使用新的NVMe存储驱动器，操作系统可以受益于更快的存储，从而帮助扩展和支持更持久的内存管理形式。

为了保证有效性，计算机的内存管理功能必须处于硬件和操作系统之间。

内存管理的工作原理

内存管理就是有限物理资源的分配和优化。内存不是统一的——例如，2GB RAM DIMM并不是作为一个大的空间块来使用的，而利用内存分配技术就可以将RAM分割为可用的内存缓存块。

在制定操作系统或应用程序中的内存管理策略时，通常需要了解RAM中可用的物理地址空间并执行内存分配，以正确地放置、移动和删除内存地址空间中的进程。

内存地址类型

操作系统中的静态和动态内存分配与不同的内存地址类型有关。从根本上说，内存地址有两种主要类型:

物理地址——物理地址是系统RAM中的内存位置，被标识为一组数字。

逻辑地址——有时也称为虚拟内存。逻辑地址是操作系统和应用程序对执行代码的访问，作为物理地址空间的抽象。

MMU如何将虚拟地址转换为物理地址？

计算系统中的内存管理单元(MMU)，是将虚拟逻辑地址空间转换为物理地址的核心硬件组件。MMU通常是一种物理硬件，有时称为分页内存管理单元(PMMU)。

MMU将虚拟地址转换为物理地址的过程称为虚拟地址转换，并使用页面目录指针表(PDPT)将一种地址类型转换为另一种地址类型。

该过程直接绑定到页表分配、将一种地址类型匹配和管理到另一种地址类型。为了加速虚拟地址的转换，有一种称为转换后备缓冲区(TLB)的缓存机制，它也是虚拟地址到物理地址转换过程的一部分。

内存分配:静态与动态加载

应用程序和数据可以通过许多不同的方式加载到内存中，其中两种核心方法是静态加载和动态加载。

静态加载——代码在执行之前被加载到内存中。用于结构化编程语言，包括C。

动态加载——根据需要将代码加载到内存中。用于面向对象的编程语言，如Java。

内存碎片

在系统中分配内存时，并不是所有可用的内存都以线性方式使用，这可能导致碎片的产生。内存碎片有两种主要类型——内部和外部。

内部碎片——内存分配给进程或应用程序，但没有使用，留下未分配或碎片式的内存。

外部碎片——当内存被分配并重新分配时，可能会有很小的内存剩余空间，留下不适合其他进程的内存漏洞或碎片。

分页

在逻辑地址空间中，虚拟内存使用分页进行划分，这意味着它被划分为固定的内存单元，称为页面。页面可以有不同的大小，这取决于底层的系统架构和操作系统，页面表管理的过程可能是复杂的。

分段

系统主存中的内存分段是一个复杂的过程，它引用内存单元中的特定Bit。

系统内存中的每个分段都有自己的地址，以改进优化和内存分配。段寄存器是现代系统处理内存分段的主要机制。

交换

交换是操作系统从存储设备中声明附加内存的过程。

Answer 3

段式内存管理

事实上，对操作系统和程序员来说，按物理性质来处理内存是不方便的。如果硬件可以提供内存机制，以便将程序员的内存视图映射到实际的物理内存，系统将有更多的自由来管理内存，而程序员将有一个更自然的编程环境。分段提供了这种机制。

分段就是支持这种用户视图的内存管理方案。逻辑地址空间是由一组段构成。每个段都有名称和长度。地址指定了段名称和段内偏移。因此用户通过两个量来指定地址：段名称和段偏移。

为了实现简单起见，段是编号的，通过段号而不是段名称来引用。因此，逻辑地址由有序对组成：
<段号，偏移>

分段硬件

虽然用户现在能够通过二维地址来引用程序内的对象，但是实际物理内存仍然是一维的字节序列。因此，我们应定义一个实现方式，以便映射用户定义的二维地址到一维物理地址。这个地址是通过段表来实现的。
段表的每个条目都有段基地址和段界限。段基地址包含该段在内存中的开始物理地址，而段界限指定该段的长度。
每个逻辑地址由两部分组成：段号 s 和段偏移 d。段号用作段表的索引，逻辑地址的偏移 d 应位于 0 和段界限之间。如果不是这样，那么会陷入操作系统中（逻辑地址试图访问段的外面）。如果偏移d合法，那么就与基地址相加而得到所需字节的物理内存地址。因此，段表实际上是基址寄存器值和界限寄存器值的对的数组。

页式内存管理

分段允许进程的物理地址空间是非连续的。分页是提供这种优势的另一种内存管理方案。然而，分页避免了外部碎片和紧缩，而分段不可以。

不仅如此，分页还避免了将不同大小的内存块匹配到交换空间的问题，在分页引入之前采用的内存管理方案都有这个问题。由于比早期方法更加优越，各种形式的分页为大多数操作系统采用，包括大型机的和智能手机的操作系统。实现分页需要操作系统和计算机硬件的协作。

Answer 4

内存管理是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。一个执行中的程式，譬如网页浏览器在个人电脑或是图灵机（Turing machine）里面，为一个行程将资料转换于真实世界及电脑内存之间，然后将资料存于电脑内存内部（在计算机科学，一个程式是一群指令的集合，一个行程是电脑在执行中的程式）。一个程式结构由以下两部分而成：“本文区段”，也就是指令存放，提供CPU使用及执行； “资料区段”，储存程式内部本身设定的资料，例如常数字串。

技术简介
内存可以通过许多媒介实现，例如磁带或是磁盘，或是小阵列容量的微芯片。 从1950年代开始，计算机变的更复杂，它内部由许多种类的内存组成。内存管理的任务也变的更加复杂，甚至必须在一台机器同时执行多个进程。

虚拟内存是内存管理技术的一个极其实用的创新。它是一段程序（由操作系统调度），持续监控着所有物理内存中的代码段、数据段，并保证他们在运行中的效率以及可靠性，对于每个用户层（user-level）的进程分配一段虚拟内存空间。当进程建立时，不需要在物理内存件之间搬移数据，数据储存于磁盘内的虚拟内存空间，也不需要为该进程去配置主内存空间，只有当该进程被被调用的时候才会被加载到主内存。

可以想像一个很大的程序，当他执行时被操作系统调用，其运行需要的内存数据都被存到磁盘内的虚拟内存，只有需要用到的部分才被加载到主内存内部运行。