Ⅴ. 连续内存分配

计算机体系结构和内存层次

• 计算机体系结构
• 内存层次
• 操作系统的内存管理方式

计算机体系结构

基本的分配和释放的管理要求。cpu高速缓存，存储管理单元（MMU），内存最小访问单位8bit；32位的意思是一次可以读写32位；高速缓存用来存放会重复使用的数据，用来提高效率；

内存层次

缓存速度最快，首先去缓存找数据，若未命中则去内存中找，若仍未命中则去外存（虚拟内存）中找，这三者速度差别很大。

操作系统的内存管理

知识点：我们希望的理想状态。逻辑存储单元。
存储管理要达到的效果：

• 抽象：逻辑地址空间
• 保护：独立地址空间
• 共享：访问相同内存
• 虚拟化：更大的地址空间

操作系统中采用的内存管理方式：

• 重定位（relocation）
• 分段（segmentation）
• 分页（paging）
• 虚拟存储（目前多数系统，如Linux，采用按需页式虚拟存储）

实现高度依赖硬件：

• 与计算机存储架构紧耦合
• MMU（内存管理单元）：处理CPU存储访问请求的硬件

地址空间和地址生成

地址空间的定义

物理地址空间-硬件支持的地址空间（地址总线条数）。

• 起始地址为0，知道$MAX_{sys}$

逻辑地址空间-在CPU运行的进程看到的地址

• 起始地址为0，直到$MAX_{prog}$

地址是从哪里来的？

逻辑地址生成

图1：逻辑地址生成图示 #### 地址生成时机和限制 编译时： - 假设起始地址已知 - 如果起始地址改变，必须重新编译

加载时：

• 如编译时起始位置位置，编译器需生成可重定位的代码
• 加载时，生成绝对地址

执行时：

• 执行时代码可移动
• 需地址转换（映射）硬件支持

地址生成过程

CPU：

• ALU：需要逻辑地址的内存内容
• MMU：进行逻辑地址和物理地址的转换

内存：

• 发送物理地址的内容给CPU
• 或接受CPU数据到物理地址

操作系统：

• 建立逻辑地址LA和物理地址PA的映射

地址检查

检查段的长度和偏移量是否为有效范围。

连续内存分配

连续内存分配和内存碎片

连续内存分配： 给进程分配一块不小于指定大小的连续的物理内存。
内存碎片： 空闲内存不能被利用。
外部碎片： 分配单元之间的未被使用的内存。
内部碎片： 分配单元内部的未被使用的内存，取决于分配单元大小是否要调整。

动态分区分配

动态内存分配：

• 当程序被加载可执行时，分配一个进程指定大小可变的分区（块，内存块）
• 分区的地址是连续的

操作系统需要维护的数据结构：

• 所有进程的已分配分区
• 空闲分区（Empty-blocks）

动态分区分配策略：

• 最先匹配
• 最优匹配
• 最差匹配

最先匹配（First Fit Allocation）策略

思路：分配n个字节时，使用第一个可用的空间比n大的空闲块。
原理&实现：

• 空闲分区列表按照地址顺序排序
• 分配过程中，搜索一个合适的分区
• 释放分区时，检查是否可与临近的空闲分区合并

优点：

• 简单
• 在高地址上有大块的空闲分区

缺点：

• 外部碎片多
• 分配大块时较慢

最佳匹配（Best Fit Allocation）策略

思路：分配n个字节时，查找并使用不小于n的最小空闲分区
原理&实现：

• 空闲分区列表按照大小排序
• 分配时，查找一个合适的分区
• 释放时，查找并合并临近的空闲分区（如果找到）

优点： 大部分分配的尺寸较小时，效果很好

• 可避免大的空闲分区被拆分
• 可减小外部碎片的大小
• 相对简单

缺点：

• 外部碎片
• 释放分区慢
• 容易产生很多无用的小碎片

最差匹配（Worst Fit Allocation）策略

思路：分配n字节，使用尺寸不小于n的最大空闲分区。
原理&实现：

• 空闲分区按从大到小排序
• 分配时，选最大的分区
• 释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并，并调整空闲分区列表的顺序

优点：

• 中等大小的分配较多时，效果最好
• 避免出现太多的小碎片

缺点：

• 释放分区较慢
• 外部碎片
• 容易破坏大的空闲分区，因此后续难以分配大的分区

来源：https://blog.csdn.net/weixin_41162823/article/details/101264009