前言
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单道程序设计系统中，内存被划分为两部分：
一部分供操作系统使用（驻留监控程序、内核）；
一部分供当前正在执行的程序使用。
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多道程序设计系统中：
在内存中进一步细分出用户部分，以满足多进程要求；
细分的任务由操作系统动态完成 — 内存管理。
一、内存管理需求
重定位
保护
共享
逻辑组织
物理组织
1. 重定位
程序员并不知道进程执行时在内存的位置
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进程可能被置换到磁盘，再次进入内存时将在不同的位置，需要重定位
必须允许进程通过
swapping技术在内存移动内存索引（逻辑地址）必须转换成进程的物理内存空间
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重定位：将逻辑地址转换为物理地址
当进程装入内存时，绝对地址是确定的；
进程在执行期间，可能占据不同的分块（置换）；
压缩技术也可能会引起进程占据不同的分块
- 地址类型
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逻辑地址（相对地址）
- 程序中的访问地址，从 0 开始；
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物理地址（绝对地址）
- 数据在内存的
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重定位 — 过程
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系统采用运行时动态加载的方式把使用相对地址的程序加载到内存。
被加载进程中的所有内存访问都是相对于程序的开始点
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需要一个硬件机制把相对地址转换成物理地址
基址寄存器 — 载入程序在内存中的起始位置
界限寄存器 — 程序的终止位置
基址寄存器 + 相对地址 < 界限寄存器 — 提供保护
2. 保护
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内存管理：避免内存中的进程间有意无意的互相干扰，防止地址越界和操作越权；
用户进程不能访问 OS 的任何代码或数据；
进程未经授权不能访问其他进程的内存单元，读或写；
编译时不可能检查绝对地址来确保保护，必须在指令访问内存时判断访问是否违法；
此需求必须由 CPU（硬件）来满足，而不是由 OS（软件）满足。
3. 共享
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允许多个进程访问内存的同一部分；
多个进程属于同一个程序，每个进程访问程序同一个副本；
合作完成同一个任务的进程可能需要共享访问相同的数据结构；
必须允许共享区域进行受控访问。
4. 逻辑组织
- 程序被组织成模块
某些模块可以独立地编写和编译；
可以给模块不同程度的保护（只读 、 只执行）；
模块化易于被多个进程共享。
5.物理组织
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存储器至少分为两级，如果程序员负责组织信息流
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供程序和数据使用的内存可能不足
需采用覆盖技术来组织程序和数据，不会被同时调用的共同使用同一内存区
浪费时间
多道程序设计中，程序员并不知道可用空间的大小和位置；
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内存管理：需要 OS 移动信息完成存储管理功能。
二、内存分区
内存管理技术：固定分区；动态分区；简单分页；简单分段；虚拟内存分页；虚拟内存分段。
分页、分段：离散分配内存空间给进程的页或段
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分区：连续分配内存空间给一个进程
固定分区
动态分区
1. 固定分区
系统将内存划分成若干边界固定的区域，设定分区说明表；
分区大小相等：小于或等于分区大小的任何进程可以装入可用分区。
分区大小不等：放置算法
把每个进程分配到能够容纳它的最小分区；
使得分区内部碎片最少；
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调度队列保存换出的进程
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每个分区一个队列或者只提供一个队列
容纳新进程的最小分区；
考虑优先级；
被阻塞的进程。
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缺点
分区数目固定，限制了活动进程数目；
分区大小事先设置，小作业不能有效利用分区空间。
2. 动态分区
分区的长度和数目是可变的；
进程被精确分配在相应的内存空间。
缺点：
会产生很多空洞 — 外部碎片；
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克服空洞，引入压缩技术
OS 不停移动内存中的进程，使碎片连成一片；
费时，并要求动态重定位。
动态分配 — 放置算法
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最佳适配（Best Fit）
空闲区按大小递增顺序排列，选择与要求的大小最接近的块；
性能最差，更经常地压缩。
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首次适配（First Fit）
从开始扫描内存，选择大小足够的第一个可用块；
低地址有许多碎片，高地址端有大空间可用；
最简单的，最好的，最快的。
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下次适配（Next Fit）
从上一次放置位置开始扫描内存，选择下一个大小足够的可用块；
末尾最大的存储块很快分成小碎片，需要多次压缩。
3. 伙伴系统
折中方案
伙伴：两个大小相等的相邻分区；
2^U 表示可用的整个内存的大小；
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算法：如果请求的大小 s 满足 2^(U-1) < s ≤ 2^U ，则分配整个空间；
否则，分成两个大小相等的伙伴，均为 2^(U-1)，如果有 2^(U-2) < s ≤ 2^(U-1)，则分配其中任何一个；
直到产生大于或等于 s 的最小块。
4. 分页
内存被划分为固定大小的块 — 页框 frame；
进程也划分成同样大小的块 — 页 page；
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此技术为每个进程浪费的空间仅仅是 一 小部分内部碎片
最后一页产生内部碎片；
无外部碎片。
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OS 需要为每个地址维护一个页表
页表项包含内存中的用于保存相应页的页框号；
进程进入内存分配页框，并创建页表；
CPU 必须知道如何访问当前进程的页表
逻辑地址包括一个页号和在该页中的偏移量
分页 — 地址装换
- 地址转换步骤：
提取页号；
对应页号，找到页表中的页框号 k；
物理地址：k * 2^m + 偏移量（m 是偏移量的位数）。
练习题：页式存储管理系统中，某进程页表如下。已知页面大小为 1024 字节，问逻辑地址 600，2700，4000 所对应的物理地址各是多少？
答：
逻辑地址 600 在 0# 页，放在 7# 页框。页内偏移地址为 600。
对应的物理地址为：600：7×1024＋600＝7768
2700 在 2# 页，放在 5# 页框，页内偏移地址为：2700 mod 1024＝652
对应的物理地址为：2700：5×1024＋652＝5772
逻辑地址 4000 在 3# 页，越界
5. 分段
分段技术：把程序和其相关的数据划分到几个段中，有长度限制，但不一定相等；
逻辑地址 = 段号 + 偏移量；
段大小不等，类似于动态分区；
段表给出相应的段在内存中的起始地址和段的长度；
段表的地址装入寄存器，供内存管理硬件使用。
分段 — 地址转换
分段 — 转换机制
练习题：在一个简单分段系统中，包含如下段表：
对如下的每一个逻辑地址，确定其对应的物理地址或者说明段错误是否会发生：
答：
a. 段 0 定位在 660，所以我们有物理地址 660 + 198 = 858。
b. 段 2 的起始地址是 222，222 + 156 = 378。
c. 段 1 长度为 422，所以会发生错误。
d. 996 + 444 = 1440。
e. 660 + 222 = 882。
三、安全问题
1. 缓冲区溢出（内存越界）
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输入到一个缓冲区或者数据保存区的数据量超过了其容量，从而导致覆盖了其他信息。
可能由编程错误造成；
会被攻击者利用，攻击系统
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错误后果：
程序使用数据损坏；
程序中控制流发生意外改变；
违法的内存访问；
程序终止。
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为了利用各种缓冲区溢出类型，攻击者需要
找出程序中的外源数据触发的缓冲区溢出漏洞；
了解缓冲区将如何在进程内存中存储，从而发现损坏相邻内存单元及改变程序执行流的可能性
通过追踪程序可以发现易受攻击的程序；
通过特定工具，可以自动发现潜在地易受攻击的程序。
预防缓冲区溢出
编译时防御系统，强化系统以抵制潜伏于新程序中的恶意攻击 — 止执行缓冲中的代码；
运行时防御系统，检测并中止现有程序中的恶意攻击 — 检测到异常及时中止。
四、补充内容
覆盖技术：把一个程序分为一系列功能相对独立的程序单元，让执行时并不要求同时装入内存的单元成一组，共享同一个存储区域。
覆盖技术要求程序员必须把一个程序划分成不同的程序段，并规定好它们的执行和覆盖顺序，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。
交换技术（swapping）：把暂时不用的某个程序及数据部分或全部从内存移到外存中去，以便腾出必要的内存空间，或把制定的程序或数据从外存读到相应的内存中，并将控制权转给它。
覆盖主要在同一个作业或同一个进程内进行，并且只能覆盖那些与覆盖程序段无关的程序段；而交换主要是在进程或作业之间进行。
