操作系统篇-内存管理

以下主要讲述进程到内存的映射

1.内存管理发展历程

1.1单进程DOS时代

DOS时代 - 同一时间只能有一个进程在运行，单进程 windows9x开始，多个进程可以装入内存 引发问题： 内存撑爆 互相打扰

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1.2 内存管理

为了解决上面说的问题，引入现在的内存管理系统：使用虚拟地址、分页装入、软硬件结合寻址。

1.2.1 解决内存撑爆

将内存分页（内存不够用），内存中分成固定大小的页框（4K），把程序（硬盘上）分成4K大小的块，用到哪一块，加载那一块，加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区， 把最新的一块加载进来(LRU算法)

例如，执行QQ.exe时，把它的分好页的页表记录下来，执行时，用到页表中的哪一页，就将这页加载进内存中。 在加载的过程中，如果内存已经满了，会把最不常用的一块放到swap分区(linux交换分区)， 把最新的一块加载进来(LRU算法)。

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几乎所有涉及到缓存的，都用到了LRU（Least Recently Used：最不常用）或LFU算法。

如何设计LFU缓存机制，支持获取数据，写入数据O(1)复杂度： 如果是数组，每个元素保存时间戳，如果查一遍，复杂度是O(n) 如果用单链表，最近用的加到尾部，头部肯定是最不常用。当中某一个又用到时，是需要挪动位置的，这些是指针操作O(1)，但是查找某一个元素还是O(n) 改进：用hashmap哈希表(保证 查找操作O(1))+ 双向链表 (链表保证 排序操作和新增操作 O(1)，双向链表保证找到的元素块的左边指针指向的块可以指向右边块)，java的LinkedHashMap就是这样实现缓存

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1.2.2 解决相互打扰的问题

虚拟内存 为了保证互不影响 - 让进程工作在虚拟空间，程序中用到的空间地址不再是直接的物理地址，而是虚拟的地址，这样，A进程永远不可能访问到B进程的空间。 虚拟空间大小：看寻址空间 - 64位系统 2 ^ 64，32位系统2^32 (表达有2^32个不同的内存地址)，而每个地址可以存放8bit的数据，即单位是byte 站在虚拟空间的角度，进程是独享整个系统 + CPU

虚拟空间分段，段内分页，需要哪页加载到页框

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程序用的虚拟地址，那怎么和物理地址映射： 偏移量(如下20) + 段的基地址(如下1000) = 线性地址 （虚拟空间） 得到线性地址后，通过 OS + MMU（cpu内部硬件 Memory Management Unit）

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通过下图再深入了解 P1,P2,P3,P4 4个进程都认为自己是独占整个内核的，实际上是共享操作系统内核。 MMU给每一个进程分配他们的内存资源。 如果内存装满了，使用LRU算法将最不常使用的页放入硬盘的交换空间中。

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缺页中断 在执行一条指令时，如果发现需要用到页在内存中没有，那么停止该指令的执行，并产生一个缺页异常（中断），由内核处理并加载，之后，原先引起的异常的指令就可以继续执行，而不再产生异常。