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通俗讲解计算机内存及页面置换算法

计算机存储体系

先来看这张计算机存储体系结构图。

通俗讲解计算机内存及页面置换算法
计算机存储体系.png

从上图可以看到,越在上面的访问速度越快,但是容量越小,今天要说的就是内存那个环节。

内存是什么

  • 内存是可以记录二进制数据一种器件,它是连续的结构,可以随机读写,断电会丢失数据,所有程序必须从磁盘加载到内存中才能运行。

  • 硬件实现简单说一下,二进制数据的每一个bit由一种叫电容器的元件记录,有电子表示1,没电子表示0。可以想象一个4G的内存条,上面有34359738368个这样微小的元件。电容容易丢失电子,所以每64ms必须对内存充电(内存刷新),充电过程中,不允许CPU访问数据,会造成任务延迟。

内存空间管理策略

  • 上面说了内存是一个连续的线性结构,一个4G的内存有很多个电容,把他们线性排在一起,那么就有0~34359738367个可以存bit的空位,计算机一般把8个bit合成一个byte存放,那么就有0~4294967295个byte,写成16进制就是 0x0 ~ 0xFFFFFFFF个地址,这个就是内存地址了,每个地址里面可以取出一个字节的数据。

现在有0xFFFFFFFF个地址,人们是怎么利用操作系统去管理和分配这些地址给程序使用的呢?

  • 为了方便说明问题,我把内存地址用10进制表示,转成16进制也是一样的,16进制不太方便人脑计算。我不用4G的内存讲,因为太多了,用0到99的内存空间即可说明问题。我尽量用通俗的语言说明问题,没有很复杂的概念,复杂的概念请翻看《操作系统原理》。

虚拟内存地址与实际物理地址

  • 在说怎么管理内存之前,先要说一下虚拟内存地址,最开始人们在程序直接使用实际的物理地址,如下图:
    假设程序a第一次启动被装载在1的位置,第二次启动装载在31的位置。
    程序a中有段代码 jmp 3,想去执行3那里的目标代码。

    通俗讲解计算机内存及页面置换算法
    物理地址.png

    显然第一次jmp是对的,但第二次操作系统把装在了31的位置,显然目标代码应该是33了,就应该把程序改为jmp 33,否则就出错了。
    这就是直接使用物理地址的弊端,每次启动都要重新改代码,或者把所有跳转的地方都+30,很麻烦。所以现代程序都不直接使用物理地址,而是用了虚拟地址,如下图

    通俗讲解计算机内存及页面置换算法
    地址转换.png

    使用了虚拟地址后,每个程序就认为自己是从0地址开始的就好了,不管加载到哪个地方,都不用在修改代码,通过一个段表就可以把虚拟地址转为实际的物理地址

  • 在编译器debug中可以看到 0x0012fee8 这些都是虚拟地址,物理地址操作系统不允许直接访问了。

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    vc6.0.png

段式管理

  • 最开始人们用段式管理,但是段式管理会产生内存碎片,过程如下图
    通俗讲解计算机内存及页面置换算法
    内存碎片.png

    当程序c要加载进内存的时候,程序b前面的空间不够了,只能从b后面分配,于是b前面的空间就不能给c利用,成为了内存碎片

  • 操作系统为了避免这种情况,充分利用内存空间,当内存不够的时候,会采取内存紧缩,就是把所有程序都往左边挪动,全部紧紧的排在一起,但是实际中对4GB的内存空间进行紧缩的时候,需要5秒左右的时间,计算机经常卡机5秒你能忍?
  • 程序c分配内存的策略有首先适配法,最佳适配法等方法,考虑到篇幅就不展开讲了,我上面用的就是首先适配法,从左到右首次找到一个合适位置就分配。

页式管理

  • 由于段式管理的缺点(外部碎片,内存紧缩),人们后来发明了页式管理,通俗来说,页式管理就是把一定大小的物理空间当做一个页框,整个内存中就有很多个这样的页框,比如0到99的内存空间,按10个字节为一个页框,那么整个内存就分成了10页框,0到9是第0个页框,如下图:
    通俗讲解计算机内存及页面置换算法
    页框.png

    按照页式管理划分空间后,一个程序用一个页框要么使用页框全部空间,要么不能使用,不能说只用一点点,如果一个程序用不上那么多空间,也必须拿完,于是段式管理的外部碎片和内存紧缩的问题被解决了,提高了内存利用率,但是又产生内存内部碎片

  • 程序的页和页框的大小是一样的,页框大小如何确定?如果页框太大,产生的内部碎片也大,如果页框太小,导致页表变大,查找速度降低。例如4GB的内存,按照4KB分为一页,4GB / 4KB = 1048576项,查找起来自然慢了。

虚拟地址到物理地址转换过程

通俗讲解计算机内存及页面置换算法
地址转换.png

上图还有个在不在位,这个位表示如果程序的页在页框中,那么直接转换,如果不在页框中,那么引发一个缺页中断,操作系统去磁盘上把缺失的页加载进内存,然后程序才继续往下运行。这里有个重点,运行中的程序不一定全部在内存中,也有可能在磁盘上,在磁盘上的那部分叫做虚拟内存!,那究竟程序的哪些页面在内存中,哪些页面在磁盘上,这里就涉及到页面置换算法

页面置换算法

一个程序的部分页面在内存中,部分页面在磁盘上,究竟怎么确定这些页面?
我选几个来说

  • 先进先出(FIFO)
    最简单的,最先进来的,就最先淘汰出去。缺点:有些频繁访问的页面也可能淘汰出去。
  • 二次机会(SC)
    最先进来的页面不一定最先出去,如果这个页面的访问标志是1,那么把它置为0,再给它一次机会,如果页面访问标志0,那么才置换出去。
  • 最近未使用(NRU)
    每个页面有两个标志位,标记是否访问,是否修改,显然那么没有怎么访问,没有修改的页面会被淘汰出去。
  • 最近最少使用(LRU)
    这个也很好理解,每个页面有个计数器,访问一次就加1,显然把访问次数很少的那些优先淘汰。
  • 此外还有老化算法,工作集算法,等等,限于篇幅(其实是我写累了)就不详细叙说了,我已经写了个实验代码,在这里可以看到。

段页式管理

最后是段页式管理,结合了段式页式的优缺点,把程序先分段,在每个段内再分页,来管理内存,windows操作系统就是用这个方法管理的,当然实际中更加复杂,绝对没有我说的这么简单,我只是通俗的说清原理,详情请看《操作系统原理》

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