操作系统虚拟内存发展史
发布时间：2022-08-09 09:55:59 所属栏目：Linux 来源：互联网
导读：混沌岁月 开天辟地之初，早期的内存并没有什么复杂的抽象，物理内存简单粗暴。 想要写什么？给，物理地址给你，随便搞。这样的操作系统并没有担负起它该有的责任，反而更像一个函数库，给了你一些系统调用之类的函数，开发人员很自由。 过了一段时间，多程序
|
混沌岁月 开天辟地之初，早期的内存并没有什么复杂的抽象，物理内存简单粗暴。 想要写什么？给，物理地址给你，随便搞。这样的操作系统并没有担负起它该有的责任，反而更像一个函数库，给了你一些系统调用之类的函数，开发人员很自由。 过了一段时间，多程序时代来临。怎么让这些程序有条不紊地运行，成为了一个必须考虑的问题。例如是给一个程序所有地址空间还是一部分，地址空间如何分配，如果有程序不小心或恶意访问、修改其他程序该怎么办？操作系统，起来干活了！ CPU利用了时分共享来应对多程序时代，每个程序跑一段时间，自动让出CPU，或者时钟中断之后CPU切换到操作系统，操作系统来调用程序，应用一系列策略来决定下一个时间片谁使用CPU。 问题到了内存这里，内存又将采用何种策略应对新的时代？ 左右横跳 一种方法是轮到哪个进程就把全部的内存都给它，结束之后将所有内存，寄存器全部保存到硬盘，然后把内存给下一个程序使用，问题在于，磁盘很慢，以前的机械硬盘更慢。 内存和机械硬盘差了五个数量级，在内存和磁盘之间横跳太慢了。 各自为王 与上一种方法作对比，很明显，也可以一个进程只占用部分内存，每个进程可以在各自内存区间里进行活动。 目前，我们的问题就到了程序这里了，不是占用整个内存了，而是由操作系统给你分配内存区间。那写程序地址怎么办？如上图的进程C，如果C妄图攻打进程B的地址区间怎么办？CPU提供了两个寄存器来解决，基址寄存器和界限寄存器。基址寄存器负责提供进程从哪开始，界限寄存器负责监督进程超界了没有，超界了由CPU进行对应的处理，一般是直接挂掉它。上图中，程序只需要当做自己的64KB地址是从0开始的就好，地址转换由硬件进行。 上面的硬件地址转换看起来不错，可是仍旧有个问题：64KB对于有的进程太大了怎么办？岂不是造成了内存浪费，内存可是十分昂贵的，经不起浪费啊！ 64KB对于现在的进程来说太小了，那是因为现在内存相对之前便宜了，我们都被惯坏了，一张图片都可以几兆。鼎鼎大名的《超级马里奥》才40KB。 进程及其地址空间如下： 堆和栈之间可能存在大量的间隙没有用到，但是在物理内存里却占用了位置，这种浪费称为内存碎片。所以我们需要更复杂的机制，来更好地利用内存。 拆分王权 典型地址空间有三个逻辑不同的段：代码，堆，栈。既然堆、栈之间的未分配区域造成了内存碎片，那就更细化一点，不是将进程地址整个映射到物理地址，而是将不同的段分别映射到物理地址，当然，MMU（memory management unit）也就需要不止一对基址和界限寄存器。 那么，硬件地址转换如何知道引用了哪个段呢？可以在虚拟地址里面加两个标志位来表明；也可以通过地址产生方式来确定段，如是指令获取，或者栈指针，或者其他（堆）。 一个分配的例子如下： 这里面，栈的硬件地址转换有所区别，因为它是反向增长。 为了节省内存（任何时候都是有必要的，内存在增加，但是应用的内存占用也在增加），出现了代码共享，这也就需要硬件提供保护位，来标识程序是否能都读写或者执行，同时不破坏隔离的思想。 操作系统在任务切换时需要负责保存各个寄存器的内容，新的地址空间被创建时，操作系统需要在物理内存中为它的段找到空间。碎片问题依然存在，这里称为外部碎片。 如果要分配一个20KB的段，左图明明有空间，却无法分配。 一种方法是：CPU负责整理，将他们的数据复制到连续内存区域，改变段寄存器值，如右图。但是这个操作成本很高。 更简单的方法就是通过空闲列表管理算法实现，尝试保留更大的内存块。具体的算法很多，但都无法完全消除外部碎片。 管理的烦恼 就像去餐馆吃饭，每个四人桌都坐了一个人，来了四个人一起吃饭，一看空位几十个，但是就是没有空闲的四人桌，啪的一下心情就不愉悦了。 所以这一节的主题就是如何管理空闲空间。 栈是自动管理的，压进弹出不需要我们操心，我们要关心的是堆。在堆上管理空闲空间的数据结构就是上文提到的空闲列表。 会堆空间的申请释放都会体现在空闲列表上。当上图used释放时，列表会表现为三段空闲的区域，这个时候很自然的一个策略是合并相邻空闲块。记住，我们的总体目标是要有尽可能大的连续空闲区域。 分配策略 内存的分配释放是任意的，内存可能会被搞得稀碎，理想的分配程序应该保证快速和碎片最小化。一个内存分配请求来了，该如何分配内存？ 最优分配：遍历整个空闲链表，找到符合要求的地址区间最小的。避免了空间浪费，但是性能差。 首次匹配：遍历，找到了符合条件的地址区间就结束。空闲列表开头会被分裂成很多小块。 下次匹配：比首次匹配多维护一个指针，指向上一次查找结束的位置，就是为了避免首次匹配空闲列表开头频繁分割的问题。 一些有趣的方式 分离空闲列表 对于应用程序频繁申请的一种或几种大小的内存空间，用一个独立的列表来管理，其他的给通用内存分配程序。 伙伴系统 这个是为了合并空闲内存更加简单，思路就是将空闲空间一分为二，直到找到小的不能再小的地址区间，返回给用户。合并的时候只要查看相邻区间，就可以直到是否可以合并。 没有规矩，不成方圆 分段将空间切成不同大小的分片之后，空间会碎片化，再想合回来就难了。一种对应的解决方法是将空间分割成固定长度的分片，称为分页。  （编辑：漯河站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
