CPU、内存分段分页机制了解

CPU

进程上下文

操作系统为进程分配的CPU以及内存资源就是这个进程的上下文

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内存地址

一、虚拟内存地址：进程使用的内存地址

二、物理内存地址：实际存在硬件里面的空间地址

进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元(MMU)的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存

操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？

主要有两种方式，分别是内存分段和内存分页

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内存管理

一、内存分页存储：在页式存储管理中，将程序的逻辑地址划分为固定大小的页（page），而物理内存划分为同样大小的帧，程序加载时，可以将任意一页放入内存中任意一个帧，这些帧不必连续，从而实现了离散分离

（1）页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式；

（2）以消减内存的外零头，提高内存的利用率；但是会有内零头；

（3）页的大小固定且由系统确定

在 Linux 下，每一页的大小为 4KB。 虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射

当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行

对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：

1. 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
2. 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
3. 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

二、内存分段存储：在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干段（segment），如代码段，数据段，堆栈段；这样每个进程有一个二维地址空间，相互独立，互不干扰

（1）没有内零头，会产生外零头

区分：

1. 目的不同：分页是由于系统管理的需要而不是用户的需要，它是信息的物理单位；分段的目的是为了能更好地满足用户的需要，它是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息；
2. 大小不同：页的大小固定且由系统决定，而段的长度却不固定，由其所完成的功能决定；
3. 地址空间不同： 段向用户提供二维地址空间；页向用户提供的是一维地址空间；
4. 信息共享：段是信息的逻辑单位，便于存储保护和信息的共享，页的保护和共享受到限制；
5. 内存碎片：页式存储管理的优点是没有外碎片（因为页的大小固定），但会产生内碎片（一个页可能填充不满）；而段式管理的优点是没有内碎片（因为段大小可变，改变段大小来消除内碎片）。但段换入换出时，会产生外碎片（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片）。

三、段页式内存管理(每个程序一张段表，每个段建立一张页表)

1. 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；
2. 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页

步骤：

1. 第一次访问段表，得到页表起始地址；
2. 第二次访问页表，得到物理页号；
3. 第三次将物理页号与页内位移组合，得到物理地址。

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内存交换空间（Linux中的Swap）

解决外部内碎片问题：将某个进程占用的内存写到硬上，然后再重硬盘读回内存，但是读回时是紧接在已经被占用的内存的后面，从而腾出更加多内存空间

内存分段：对于多进程的系统来说，用分段的方式，内存碎片是很容易产生的，产生了内存碎片，那不得不重新 Swap 内存区域，这个过程会产生性能瓶颈。 因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。 所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

内存分页：如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出(Swap Out)。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入(Swap In)。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高

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内存零头

1. 外零头：内存中存在一些区域不归任何进程所有，由于区域太小，无法满足其他进程所申请的内存大小。
2. 内零头：指已分配给进程的内存空间但未被使用的那一部分区域。

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