计算机操作系统学习笔记(5)——内存管理

简介: 计算机操作系统学习笔记(5)——内存管理

一、用户空间和内核空间

内核具有很⾼的权限,可以控制 cpu、内存、硬盘等硬件,⽽应⽤程序具有的权限很⼩,因此⼤多数操作系统,把内存分成了两个区域。

内核空间,这个内存空间只有内核程序可以访问;

⽤户空间,这个内存空间专⻔给应⽤程序使⽤;

⽤户空间的代码只能访问⼀个局部的内存空间,⽽内核空间的代码可以访问所有内存空间。

因此,当程序使⽤⽤户空间时,我们常说该程序在⽤户态执⾏,⽽当程序使内核空间时,程序则在内核态执⾏。

应⽤程序如果需要进⼊内核空间,就需要通过系统调⽤

说白了就是内核空间权力大,不是谁都可以访问,要去申请,用户空间权力小

二、内存管理

为什么要存在虚拟内存?

如果多个程序直接操作物理内存,第⼀个程序在 2000 的位置写⼊⼀个新的值,将会擦掉第⼆个程序存放在相同位置上的所有内容

虚拟内存就是把进程所使⽤的地址「隔离」开来,即让操作系统为每个进程分配独⽴的⼀套「虚拟地址」,⼈⼈都有,⼤家⾃⼰玩⾃⼰的地址就⾏,互不⼲涉。


内存管理单元(MMU)的映射关系会将 不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来,来转换变成物理地址,然后再通过物理地址访问内存。


操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系?


主要有2种方式:分段和分页

内存分段

分段机制下的虚拟地址由两部分组成,段选择⼦和段内偏移量。

段选择⼦⾥⾯最重要的是段号,⽤作段表的索引。段表⾥⾯保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。

先根据段号找到段基地址,然后加上段内偏移量得到物理内存地址。

分段的方式有2个问题:内存碎⽚的问题和内存交换的效率低

内存碎片

我们来看看这样⼀个例⼦。假设有 1G 的物理内存,⽤户执⾏了多个程序,其中:

游戏占⽤了 512MB 内存

浏览器占⽤了 128MB 内存

⾳乐占⽤了 256 MB 内存。

这个时候,如果我们关闭了浏览器,则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。如果这个 256MB 不是连续的,被分成了两段 128 MB 内存,这就会导致没有空间再打开⼀个

200MB 的程序。


解决外部内存碎⽚的问题就是内存交换


这个内存交换空间,在 Linux 系统⾥,也就是我们常看到的 Swap 空间,这块空间是从硬盘划分出来的,⽤于内存与硬盘的空间交换。


因为 Swap 空间位于硬盘上,硬盘的访问速度要⽐内存慢太多了,效率比较低。


为了解决内存分段的内存碎⽚效率低的问题,就出现了内存分⻚。

内存分⻚

分⻚是把整个虚拟和物理内存空间切成⼀段段固定尺⼨的⼤⼩。这样⼀个连续并且尺⼨固定的内存空间,我们叫⻚(Page)。在 Linux 下,每⼀⻚的⼤⼩为 4KB 。

虚拟地址与物理地址之间通过⻚表来映射,⻚表是存储在内存⾥的


分页方式只有在程序运⾏中,需要⽤到对应虚拟内存⻚⾥⾯的指令和数据时,再加载到物理内存⾥⾯去


多级页表

因为操作系统是可以同时运⾏⾮常多的进程的,意味着⻚表会⾮常的庞⼤。


此时就需要常用多级⻚表(Multi-Level Page Table)


多级⻚表虽然解决了空间上的问题,但是虚拟地址到物理地址的转换就多了⼏道转换的⼯序,这显然就降低了这俩地址转换的速度,也就是带来了时间上的开销。


多级页表是需要的时候才创建,否则一下全创建空间会比单级页表还多


TLB

在 CPU 芯⽚中,加⼊了⼀个专⻔存放程序最常访问的⻚表项的 Cache,这个Cache 就是 TLB(Translation Lookaside Buffer) ,通常称为⻚表缓存、转址旁路缓存、快表等。


TLB就是把最常访问的⼏个⻚表项存储


有了 TLB 后,那么 CPU 在寻址时,会先查 TLB,如果没找到,才会继续查常规的⻚表。


内存分段和内存分⻚并不是对⽴的,它们是可以组合起来在同⼀个系统中使⽤的,那么组合起来后,通常称为段⻚式内存管理。


Linux 系统主要采⽤了分⻚管理


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