操作系统之内存管理

一、概念

1. MMU

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。

2. TLB

TLB(Translation Lookaside Buffer)传输后备缓冲器是一个内存管理单元用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。TLB是一个小的，虚拟寻址的缓存，其中每一行都保存着一个由单个PTE组成的块。TLB是位于内存中的页表的cache，如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存,即查页表获得物理地址和取数据。
原理：
当cpu对数据进行读请求时,CPU根据虚拟地址(前20位)到TLB中查找.TLB中保存着虚拟地址(前20位)和页框号的对映关系,如果匹配到虚拟地址就可以迅速找到页框号(页框号可以理解为页表项),通过页框号与虚拟地址后12位的偏移组合得到最终的物理地址。

如果没在TLB中匹配到虚拟地址,就出现TLB丢失,需要到页表中查询页表项,如果不在页表中,说明要读取的内容不在内存,需要到磁盘读取。

TLB是MMU中的一块高速缓存,也是一种Cache.在分页机制中,TLB中的数据和页表的数据关联,不是由处理器维护,而是由OS来维护,TLB的刷新是通过装入处理器中的CR3寄存器来完成.如果MMU发现在TLB中没有命中,它在常规的页表查找后,用找到的页表项替换TLB中的一个条目。

二、虚拟地址到物理地址

如果CPU启用了MMU，CPU核发出的地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址(Virtual Address, 以下简称VA)，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上。

虚拟地址转换内存地址的示意图

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MMU将虚拟地址映射到物理地址是以页(Page)为单位的，对于32位CPU通常一页为4K。例如，虚拟地址 0xB7001000-0xB7001FFF是一个页，可能被MMU映射到物理地址0x2000~0x2FFF, 物理内存中的一个物理页面也称为一个页框(Page Frame)。

三、存储管理的三种方式

分页存储管理

逻辑空间等分为页；并从0开始编号
内存空间等分为块，与页面大小相同；从0开始编号
分配内存时，以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。

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分段存储管理

逻辑空间分为若干个段，每个段定义了一组有完整逻辑意义的信息（如主程序Main()）。
内存空间为每个段分配一个连续的分区。

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分页和分段的主要区别：
分页：信息的物理单位。大小一样，由系统决定。地址空间是一维的。
分段：信息的逻辑单位。大小不一样，由程序员决定。地址空间是二维的。

段页式存储管理

用户程序先分段，每个段内部再分页（内部原理同基本的分页、分段相同）

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内存分配中的概念介绍

虚拟地址：用户编程时将代码（或数据）分成若干个段，每条代码或每个数据的地址由段名称 + 段内相对地址构成，这样的程序地址称为虚拟地址
逻辑地址：虚拟地址中，段内相对地址部分称为逻辑地址
物理地址：实际物理内存中所看到的存储地址称为物理地址
逻辑地址空间：在实际应用中，将虚拟地址和逻辑地址经常不加区分，通称为逻辑地址。逻辑地址的集合称为逻辑地址空间
线性地址空间：CPU地址总线可以访问的所有地址集合称为线性地址空间
物理地址空间：实际存在的可访问的物理内存地址集合称为物理地址空间
MMU(Memery Management Unit内存管理单元)：实现将用户程序的虚拟地址（逻辑地址） -> 物理地址映射的CPU中的硬件电路
基地址：在进行地址映射时，经常以段或页为单位并以其最小地址（即起始地址）为基值来进行计算
偏移量：在以段或页为单位进行地址映射时，相对于基地址的地址值
虚拟地址先经过分段机制映射到线性地址，然后线性地址通过分页机制映射到物理地址。

页面置换算法

在地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。
1. 分类

全局置换：在整个内存空间置换
局部置换：在本进程中进行置换

2. 算法

全局：

工作集算法
缺页率置换算法

局部：

最佳置换算法（OPT）：选未来最远将使用的页淘汰，是一种最优的方案，可以证明缺页数最小。可惜，MIN需要知道将来发生的事，只能在理论中存在，实际不可应用。
先进先出置换算法（FIFO）：先入先出，即淘汰最早调入的页面。
最近最久未使用（LRU）算法：用过去的历史预测将来，选最近最长时间没有使用的页淘汰(也称最近最少使用)。性能最接近OPT。与页面使用时间有关。
LFU(Least Frequently Used)算法：即最不经常使用页置换算法，要求在页置换时置换引用计数最小的页，因为经常使用的页应该有一个较大的引用次数。与页面使用次数有关。
时钟（Clock）置换算法：给每个页帧关联一个使用位，当该页第一次装入内存或者被重新访问到时，将使用位置为1。每次需要替换时，查找使用位被置为0的第一个帧进行替换。在扫描过程中，如果碰到使用位为1的帧，将使用位置为0，在继续扫描。如果所谓帧的使用位都为0，则替换第一个帧。

参考

https://blog.csdn.net/u014609236/article/details/39472115
https://blog.csdn.net/sinat_16790541/article/details/42247907