内存管理 ： 02 内存分区与分页

从我的视角看内存管理课程内容

在操作系统的知识体系中，内存管理占据着极为关键的地位。我在上节课开启了内存管理的学习之旅，深知它与CPU管理一同构成了操作系统的核心支柱，这两部分管理妥善后，一个基础的操作系统雏形便得以显现，再融入设备驱动和文件系统，一个完整可用的小型操作系统就能诞生。所以，今天我要继续深入探索内存管理的奥秘。

回顾上节课内容

本次学习，我首先对上次课的知识进行回顾，目的有二：其一，加深对已学内容的理解与认识；其二，通过回顾引出新问题，为后续学习做好铺垫。实际上，上次所学内容尚未形成完整体系，存在的缺口正是今天要学习的重点，补上这部分内容后，知识框架才能完整。

内存分区在整个知识脉络中起着承上启下的作用，它引出的问题将带领我走进今天的新主题——分页。在此之前，我们主要探讨了分段管理方式，而今天，分页的概念将登场，最终我会明白分段与分页相结合，才是操作系统内存管理的真正模样。

我回忆起，操作系统管理内存的核心思想是让内存高效利用起来。基于冯诺依曼存储程序的思想，计算机的工作流程是将程序载入内存，再由CPU取指执行，在这个过程中，内存得以被使用。一个程序通常会被分为多个段，比如代码段和数据段，这样划分是因为不同段具有不同特性，符合编程习惯和程序运行需求。

当程序分段完成后，需要将其放置在内存中。具体做法是寻找空闲内存区域，比如将代码段存放在地址3000开始的合适空间，数据段放在地址1000开始的空闲处。但程序在内存中的地址并非固定不变，以代码段中“jump 40”这条指令为例，它实际要跳转到的地址应该是3040，这就需要进行重定位操作。我们通过建立段表来记录各段在内存中的起始地址，利用硬件设备结合段表寄存器LDTR实现运行时重定位，从而确保程序正确执行。

在多进程环境下，每个进程都有独立的段表LDT，进程切换时，PCB和LDTR随之切换，使得不同进程在各自的地址空间内运行，互不干扰。这部分知识与之前学习的多进程映射表相关联，实际上映射表就是这里的LDT。我深知，要真正掌握这些知识，仅靠课堂听讲远远不够，还需亲自完成实验六，通过实践加深理解。

引出内存分区

回顾完上节课内容，我开始思考程序放入内存的具体流程，这可概括为三步：第一步，程序分段，这由编译环节负责；第二步，在内存中寻找空闲分区，这正是今天的学习重点；第三步，将程序载入内存，同时初始化LDT并与PCB关联，此过程涉及后续要学的文件系统、设备驱动等知识。这三个步骤看似简单，却涵盖了编译、算法数据结构、内存管理、进程管理等多方面知识，充分体现了操作系统的系统性。

内存分区的方法

接下来，我学习了内存分区的两种方法。第一种是固定分区，它如同将面包平均分给孩子，把内存等分成若干个大小相同的分区。但这种方法存在明显缺陷，因为程序对内存的需求大小各异，固定分区无法满足多样化需求，所以实际应用中并不合适。

第二种是可变分区，它更加灵活，能根据程序请求的内存大小，在空闲分区中划分相应区域。

例如，内存中0 - 100k被操作系统占用，100k - 200k被segment1使用，250k - 500k为空闲区域，当有100k的内存请求时，就从250k处划分出100k，划分后空闲分区和已分配分区信息都要更新。
而且，当进程结束释放内存时，空闲分区表也会相应变化。

当存在多个空闲分区都能满足请求时，就需要选择合适的分区算法。
常见的算法有最佳适配、最差适配和首次适配。最佳适配会选择最接近请求大小的空闲分区，这样会导致空闲分区逐渐变小，产生大量内存碎片；最差适配则选择最大的空闲分区，能使剩余空闲分区大小相对均匀；首次适配不考虑分区大小差异，直接选择第一个满足条件的分区，其优点是查找速度快，时间复杂度为O(1)，而最佳适配和最差适配的时间复杂度为O(n)。这些算法各有优劣，在实际操作系统中，需根据内存使用特点综合选择，通常不会单纯使用某一种。实际上，物理内存最终是通过分页来分配，而内存分区算法主要用于虚拟内存处理，这一点我先记下，待后续学习虚拟内存时再深入理解。

分页的引入

内存分区方法存在效率问题，其中最突出的是内存碎片。由于不断的请求和释放操作，无论采用哪种适配算法，都会产生内存碎片。
当有160k的内存请求时，虽然总空闲内存为200k，但因碎片分散，无法满足请求。为解决碎片问题，可能会想到内存紧缩，即将已使用内存区域合并，释放出连续的大空间，但这会耗费大量时间，在紧缩过程中，CPU无法执行用户进程，导致上层用户程序无法运行，出现类似死机的现象，随着内存容量增大，这种方法愈发不可行。

于是，分页的解决方案应运而生。它将内存和程序请求都划分为固定大小的页，物理内存初始化时就被分成一页页，以4k为一页为例，通过map映射表记录每一页的使用状态。程序请求内存时，根据需求计算所需页数并向上取整，然后在物理内存中寻找空闲页进行分配。分页的优势在于避免了内存碎片问题，即使存在未被完全使用的页，浪费的内存最多也只是一页（4k），相比内存分区产生的大量碎片，浪费大大减少，而且无需进行耗时的内存紧缩操作。从物理内存角度，分页能有效减少浪费；从用户角度，用户习惯程序分段编写，所以操作系统需要同时支持分段和分页，这也是后续学习的重点。

分页后的地址计算与重定位

程序通过分页方式放入物理内存后，仍面临程序执行的问题。以“jump 40”指令为例，需要确定40这个地址分配到了哪一页，以及最终要发出的地址是多少。假设每页大小为40，40位于第零页，如果它对应的物理页框是第五个，那么最终地址就是540。

计算最终地址需要借助页表，就像分段时使用段表进行重定位一样。页表也有对应的寄存器CR3，每个进程都有独立页表，进程切换时CR3随之切换。在实际计算中，以地址2240（16进制）为例，由于每页大小为4k（2的12次方），将地址右移12位，可得到页号为2，页内偏移保留。通过页号在页表中查找对应的页框号，假设页框号为3，因为每页4k，所以物理地址就是3×4k + 页内偏移，即3240。这些计算操作由硬件的内存管理单元MMU自动完成，只要将地址和页表起始地址提供给MMU，它就能根据页表进行重定位，计算出正确的物理地址。

至此，我对内存管理的学习有了更深入的认识。一个程序从分段开始，经过内存分区、分页，最终通过页表实现地址重定位并正确执行，这些知识相互关联，共同构建起操作系统内存管理的基本轮廓。后续我还将学习分段与分页的结合，进一步完善对内存管理的理解。