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💛本文摘要💛
本专栏主要讲解操作系统的相关知识，包括内存管理、虚拟内存、IO多路复用、进线程、死锁、磁盘调度 本节主要讲解 操作系统概述
💝操作系统物理内存管理
- 计算机体系结构/内存分层体系
- 地址空间&地址生成
- 连续内存分配
🎍1. 计算机体系结构/内存分层体系
🎉1.1 计算机体系结构
- CPU
- 内存
- IO
🎉1.2 内存层次结构
- 内存层次结构：CPU访问内存的指令或数据所处的具体位置。
从CPU寄存器到磁盘，读写速度不断降低，存储数据容量大小不断增大。
- 运行内存（主存）：主存是在程序运行时所需要保存的数据空间
- 磁盘（虚拟内存）：用于持久化数据保存的空间
- CPU可以访问的内存包括两大类 : 寄存器 / cache(L1缓存 / L2缓存) （操作系统不可以访问这俩部分）
CPU访问的层次|___CPU寄存器/L1缓存|___L2缓存|___主存（程序访问）|___磁盘（程序访问）
🎉1.2 内存管理目标
- 抽象：逻辑地址空间
- 保护：独立地址空间
- 共享：访问相同内存
- 虚拟：更多的地址空间
有俩个地址空间：物理空间和逻辑空间
主存是一种物理地**址空间，程序是一种逻辑地址空间
🎉1.3 内存管理方法
- 程序重定位
- 分段
- 分页
- 虚拟内存
- 按需分页虚拟内存
实现高度依赖于硬件
- 内存结构
- MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问要求
操作系统是一个软件，在完成上述功能时，同时需要依赖硬件
🎍2. 地址空间 & 地址生成
- 地址空间定义
- 地址生成
- 地址安全检查
🎉2.1 地址空间的定义
物理地址空间：硬件支持的地址空间，包括主存和硬盘（虚拟内存）逻辑地址空间：一个运行在程序所拥有的的内存范围，地址空间是一维的逻辑地址空间和物理地址空间有映射关系，这是靠OS来维持的,每一个逻辑空间都有对应的物理地址空间，可能对应内存也可能对应硬盘
逻辑地址生成
- 逻辑地址生成，.c程序经过编译得到.s文件，再经过汇编得到.o文件，此时变量名和函数名都会转换成从0开始的连续地址空间，然后再经过链接把多个.o文件生成.exe文件，此时因为链接了其他函数库，所以地址会产生偏移，从图中可以看到程序地址从0-75变成了0-175。链接产生的地址0-175就是逻辑地址。
- 然后loader程序会把硬盘中的.exe文件加载到内存中运行。但是问题在于，假设另外一个程序的地址为0-200，那这两个程序因为地址冲突就不能一起执行了，为了解决这个问题，MMU会对程序的逻辑地址进行映射，转换成对应的物理地址。这样子，两个不同程序会映射到不同的物理地址上，避免冲突。所以程序加载时候会对逻辑地址进行重定位，转换成物理地址。
逻辑地址如何对应到物理地址
- 当CPU执行某条指令，它的ALU需要这个程序的内容，带着参数（逻辑地址）
- CPU会查找这个逻辑地址的映射表MMU，是否存在对应的物理地址，如果没有就会到内存中的map中找
- 找到后，他会给主存发送请求，请求该物理地址的内容
- 主存灰浆内容通过总线传到CPU，然后CPU执行指令。
操作系统在此之前，需要建立逻辑地址和物理地址的映射关系，这个关系可以放到CPU，由内存缓存，加快访问过程
安全检查（程序之间不能干扰，确保程序访问合法）
- 操作系统确保每一个程序有效访问的地址空间（起始地址+偏移量）
- CPU执行指令会查找MAP，MAP会指出访问的逻辑地址，看逻辑地址是否满足该限制（当超出该长度，就是不合法访问，这是OS来维护的），当不满足CPU就会产生一个系统异常，让OS进一步处理
🎍3. 连续内存分配
- 内存碎片问题
分区的动态分配
-
- 第一适配
- 最佳适配
- 最差适配
- 压缩式碎片整理
- 交换式碎片整理
🎉3.1 内存碎片问题
- 内存碎片：给运行程序分配一块空间后，会出现一部分无法利用的空间。
内存碎片分为：
外部碎片和内部碎片- 外部碎片：在分配单元之间无法使用的内存
- 内部碎片：已经分配给了应用程序，但是它无法使用，单元分配之内，无法使用
🎉3.2 分区的动态分配
- 程序从硬盘加载到内存，需要为他分配一块连续的空间
- 程序在运行过程中需要访问数据，为他的数据分配内存
🔔3.2.1 首次适配
- 在内存中找到第一个比需求大的空闲块, 分配给应用程序
🔔3.2.2 最优适配
- 寻找整个空间块中，最适合满足需求的空间块（在内存中找到最小的空闲块, 分配给应用程序）
相比首次适配
- 为了避免份分割大的空间块
- 为了最小化外部碎片产生的尺寸
🔔3.2.3 最差适配
- 在内存中找到最大的空闲块, 分配给应用程序
为了避免太多的微小的碎片
🔔3.2.4 3种分配策略区别
| 分配方式 | 第一匹配分配 | 最优适配分配 | 最差适配分配 |
|---|---|---|---|
| 分配方式实现需求 | 1. 按地址排序的空闲块列表 2. 分配需要寻找一个合适的分区 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区 | 1. 按尺寸排序的空闲块列表 2. 分配需要寻找一个合适的分区 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区 | 1. 按尺寸排序的空闲块列表 2. 分配最大的分区 3. 重分配需要检查是否可以合并相邻空闲分区 |
| 优势 | 简单 / 易于产生更大空闲块 | 比较简单 / 大部分分配是小尺寸时高效 | 分配很快 / 大部分分配是中尺寸时高效 |
| 劣势 | 产生外部碎片 / 不确定性 | 产生外部碎片 / 重分配慢 / 产生很多没用的微小碎片 | 产生外部碎片 / 重分配慢 / 易于破碎大的空闲块以致大分区无法被分配 |
这三种都是一些简单的内存管理算法，没有优劣，因为操作系统的分配是随机的。
🎉3.3 压缩式碎片整理
将运行程序所在的内存，在内存中移来移去，使得空闲的块变得连续
压缩式碎片整理
- 重置程序以合并碎片
- 要求所有程序是动态可重置的
问题 :
- 何时将程序重置 ? (在程序处于等待状态时才可以重置)
- 需要考虑内存拷贝的开销
主要是利用软件，来进行程序重置
🎉3.4 交换式碎片整理
把当前没有运行的程序，把它所占的空间放在硬盘上，从而空出更多的空闲空间
- 运行程序需要更多的内存时，抢占等待的程序并且回收它们的内存
问题 :
- 哪些程序应该被换入换出 ?
- 什么时候进行换入和换出
- 而且换入换出是以单个程序的大小为力度，此时开销大
