前言
内存管理 是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效、快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。
为什么需要内存管理？
- 不同的进程应该相互独立
- 内存的使用效率要高
虚拟内存管理的优点和缺点？
- 多进程共享物理内存
- 进程相互独立
- 每个进程可以使用大规模/连续的内存
- 更高效的内存使用
- 缺点：虚拟内存到物理内存需要额外的设备，昂贵并且速度变慢
直接使用物理内存管理
基本概念
-
物理地址和虚拟地址
物理地址是真实的与CPU对应的地址；虚拟地址（线性地址）
1.进程在内存中的布局
程序编译成二进制代码：
进程在内存中的布局，代码段、数据段分开
- cpu直接操作物理内存。进程根据代码段提供的位置，操作内存中该位置的数据。这应该是实模式
缺陷：
- 编译器需要非常小心，因为多个进程之间的内存需要相互隔离
- CPU操作虚拟地址，需要MMU转换。进程在虚拟内存的布局如右上，实际的内存布局如右下。
2.虚拟内存与物理内存的对应
对于每一个进程，理论上都有4G的内存可以使用，但在实际的内存布局中，并不是占用4G的物理内存。
多个进程在物理内存的布局如下
3.分段和分页
分段内存管理
分段将物理内存分成不同的段，其优点在于：1. 将内存分为不同的段，利于进程独立；2.不同的段给与不同的权限，比如某些数据段“write only” 实现了对内存的保护。
分段表给出了段地址和权限
分页内存管理
分页表存储在内存中
因为分页表很大，查询的时间较长，为了提高查表的效率，会将一部分页表存储在cache中，成为TLB技术。
TLB分页技术如下，对于地址先查询cache。由于计算机中的局部效应，效率会有很大的提升。
TLB有不同设计：
- 每个进程都有自己的TLB。
- TLB只有一个，给不同的进程标记PID
分段分页同时（x86）
出现三种地址：逻辑地址、线性地址和物理地址
4. Cache
cache是CPU为了提高速度的缓存机制。实际cache实现存在两种不同的机制
1.先做cache，再做MMU
2.先做MMU，再做cache
对比如下：
物理cache和逻辑cache对比
- 物理cache速度慢，但是不需要清空
- 逻辑cache速度快，但是在context switch时会清空，或者存储Pid
5.物理内存管理
在kernel所在的内存中，存在一个memory info table，如下
内核提供一些接口，提供内存分配、释放的功能
物理内存管理必须存在，因为操作系统启动之后，就需要内存的分配。
如果没有MMU，如何保护内存访问？
- 利用memory protection uints
内存管理面临的挑战：
- 内部碎片，分配的内存大于所需的内存，有一部分浪费
- 外部碎片，系统有足够的内存提供，但是因为内存不连续而无法提供
6.外部碎片
进程多次分配和释放之后，导致内存不连续，出现许多碎片
直观而言，对内存采取移动，可以实现最后空闲内存是连续的。但是进程进行内存移动，存在实际的困难：
- 其他进程都需要被锁住
- 导致进程内部的地址都需要改变
- 时间花费很长。
解决方法：
frame table：每个frame的内存大小保持固定。
7. kernel memory management
需要解决的问题：
- 线性时间的内存分配和回收
- 外部碎片
- 内部碎片
- 同时满足大内存和小内存的分配
8. x86 内核内存管理为例
buddy system 解决了内存线性时间分配的问题，但是存在很严重的内部碎片问题。linux为了解决这一问题，设置了slab allocator 。
buddy system
把所有的空闲页框分组为11个块链表，每个块链表分别包含大小为1，2，4，8，16，32，64，128，256，512和1024个连续页框的页框块。最大可以申请1024个连续页框，对应4MB大小的连续内存。每个页框块的第一个页框的物理地址是该块大小的整数倍
slab allocator
slab主要针对一些操作频繁，且内存较小的对象，比如进程描述符等。
slab是Linux操作系统的一种内存分配机制。其工作是针对一些经常分配并释放的对象，如进程描述符等，这些对象的大小一般比较小，如果直接采用伙伴系统来进行分配和释放，不仅会造成大量的内碎片，而且处理速度也太慢。而slab分配器是基于对象进行管理的，相同类型的对象归为一类(如进程描述符就是一类)，每当要申请这样一个对象，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，从而避免这些内碎片。slab分配器并不丢弃已分配的对象，而是释放并把它们保存在内存中。当以后又要请求新的对象时，就可以从内存直接获取而不用重复初始化。
