內存的分配和回收
內存的分配是為進入系統(tǒng)準備運行的程序分配內存空間，內存的回收是當程序運行完成后回收所占用的空間，系統(tǒng)為了完成這個功能，必須跟蹤記錄內存空間的使用情況，按照一定的算法為進程分配和回收空間。
分配存儲方案的因素：
存儲空間的描述結構：系統(tǒng)采用某種數(shù)據(jù)結構登記當前的內存使用情況以及空閑區(qū)的分布情況，供存儲分配使用。每次分配回收要修改這些數(shù)據(jù)。
分配的策略：確定安裝內存的分配和回收算法，好的算法既能滿足進程運行需要，又能充分利用內存空間。
存儲地址變換
用戶編程的時候無法預知確定程序在內存的位置，只能采用邏輯地址編程，程序運行的時候把程序的邏輯地址轉換為實際地址，由內存管理模塊與硬件的地址變換機構共同完成。
1.符合地址
高級語言編程使用符號名，比如函數(shù)名，變量名語句標號來表示操作對象或者轉移的地址，高級語言使用的空間是符合地址
2.邏輯地址
編譯程序將源代碼的語句逐條翻譯為機器指令，為每個變量分配存儲單元，并利用存儲單元地址替換變量名，這些指令和數(shù)據(jù)順序存放在一起，從0開始編排地址，形成目標代碼，目標代碼所占據(jù)的地址范圍稱為邏輯地址空間，范圍0~n-1，n是目標代碼長度，邏輯地址空間的地址稱為邏輯地址或者相對地址。
3.物理地址
物理內存由一系列的內存單元組成，這些內存單元從0開始按字節(jié)編址，稱為內存地址，當目標程序加載到內存里時候，所占據(jù)的實際內存空間就是它的物理存儲空間，物理空間不會從0開始，因為內存的低端地址通常被操作系統(tǒng)占據(jù)，對比下圖可以理解。邏輯地址空間i的地址是96，真正的物理內存空間時1120.
現(xiàn)在程序地址的變換采用的是動態(tài)變換，程序裝入內存的是不進行變換，在執(zhí)行過程遇到邏輯地址，地址變換機構進行地址轉換，然后再執(zhí)行指令，特點是程序在內存中可移動，可共享。
內存保護
1.雖然內存的容量不斷提高，對應用來說還是不足，擴充存儲器空間的基本思想是借用外來存儲空間擴展內存空間，方法是先讓程序的部分代碼進入內存，其他放在外存，需要的時候再調入內存。實現(xiàn)方式有三種
1.覆蓋技術
將程序分為幾個模塊，重要的先進入內存，不重要的等需要的時候再進入，不重要的共享一些內存空間，用的時候覆蓋掉某個暫時不用的塊。缺點是編程的時候必須對程序進行模塊劃分，復雜。不好
2.交換技術
多個程序并發(fā)執(zhí)行的時候，往往有些程序因為等待某個事件暫時不能運行，如果將暫時不執(zhí)行的程序放入外存，和覆蓋不一樣的是交換技術是以進程為單位的，優(yōu)點是增加了程序并發(fā)的程序數(shù)目，對程序結構沒有要求，缺點是對整個進程換入換出操作浪費很多時間。
3.虛擬存儲器
以上兩種內存擴充技術都不是虛擬存儲技術，在編程人眼中，看到的還是實際內存的大小，虛擬存儲技術原理是將程序的部分代碼調入內存，其余駐留在外存，需要時候調入，程序的代碼的換入換出完全由系統(tǒng)完成，用戶看到的是一個比實際內存大得多的內存。
程序局部性原理
實驗證明，程序運行的過程中，CPU不是隨機的訪問整個程序或者數(shù)據(jù)范圍，而是在一個時間段內只集中訪問程序或數(shù)據(jù)范圍，這種特性稱為局部性原理，局部性原理表明在進程運行的某個較短的時間內進程地址空間只有部分是活動的，其余處于不活動狀態(tài)，可能長時間不會用到比如初始化和終止代碼，也可能根本不會用到，比如錯誤處理代碼。它們完全沒有必要在內存駐留，只有當需要的時候在被調入內存，可見局部性使得虛擬存儲成為可能。
虛擬存儲器原理
利用外存模擬內存，在外存開辟一個大的存儲空間，叫做交換區(qū)，進程啟動后部分代碼進入內存，其余的留在外存交換區(qū)，需要時候調入，和覆蓋不一樣的是覆蓋是用戶有意識的進行，看到的內存大小還是原來內存大小，虛擬存儲技術里，內存和交換空間之間的交換完全是系統(tǒng)動態(tài)完成，應用程序不會發(fā)覺，進程看到的是一個比實際內存大得多的虛擬內存。與交換技術不同的是交換是以進程為單位，進程映像大小受實際內存的限制，虛擬存儲進程的邏輯空間可以超越實際內存容量的限制。
讀寫硬盤速度慢，訪問虛擬存儲器速度比訪問真正的內存慢，以時間換空間，虛擬存儲器大小也受到地址寄存器位數(shù)限制。32位計算機，可訪問內存的上限是4GB。
虛擬存儲器的實現(xiàn)技術
有虛擬頁和虛擬段存儲
下面介紹虛擬頁存儲
VM系統(tǒng)將虛擬存儲器劃分為虛擬頁，固定大小處理數(shù)據(jù)，類似的物理存儲器也分割為物理頁，大小一樣。
MMU利用頁表實現(xiàn)對虛擬內存的管理，CPU里面的虛擬基址寄存器指向當前的頁表，n位虛擬地址包含兩個部分，一個是p為的虛擬地址偏移，一個是n-p位的虛擬頁號，MMU利用虛擬頁號選擇適當?shù)捻摫眄?，比如VPN0對應PTE0，依次類推，如果沒有發(fā)生缺頁異常，就可以根據(jù)根據(jù)PTE里面的物理頁號和虛擬偏移量組合得到的物理地址。因為物理頁的大小和虛擬頁一樣，所以偏移量也正好相當。
頁表命中過程
處理器生成一個虛擬的地址，傳送給MMUMMU生成PTE地址，并從高速緩存或者主存請求得到它高速緩存或者主存向MMU返回PTEMMU構造物理地址，并把它發(fā)送給主存或者高速緩沖高速緩存或者主存把返回請求的數(shù)據(jù)返回給處理器
頁表不命中過程
處理器生成一個虛擬的地址，傳送給MMUMMU生成PTE地址，并從高速緩存或者主存請求得到它高速緩存或者主存向MMU返回PTE因為PTE的有效位是0，觸發(fā)異常，進行異常處理缺頁處理程序從主存確定一個要犧牲的頁，如果這個頁被修改了，就把它重寫回磁盤。缺頁處理程序頁面調入新的頁面，并更新PTE缺頁處理程序返回原來的進程，再次執(zhí)行導致缺頁的命令，CPU將原來的虛擬頁再次發(fā)給MMU,因為這次已經緩存了所以不會產生異常。進程地址空間管理
地址空間映射
文件映射：進程的靜態(tài)鏡像以可執(zhí)行文件的形式駐留在硬盤，在創(chuàng)建進程的時候要構造地址空間，方法是用可執(zhí)行文件的相應的部分內容構建虛存區(qū)，映像不是被調入虛存區(qū)，而是在映像文件和虛存區(qū)之間建立地址映射這就是文件映射。建立映射的時候text區(qū)和data區(qū)被映射到磁盤上的可執(zhí)行文件，stack區(qū)無須映射，BSS和heap為匿名映射不和任何實際文件建立對應的映射，BSS和heap的映射對象是一個抽象的“零頁“文件，映射到零頁文件的區(qū)將全是0.上述圖非虛存區(qū)是不可用的，唯一的例外是棧，棧的空間會隨著程序執(zhí)行動態(tài)的增長，棧大小低于上限（通常是8M)是可以增長的，超出會棧溢出造成程序終止。
頁表映射：
頁表映像：文件映像只是將文件里面的映像映射到額虛存空間，進入物理內存的映像則是通過也表來映射的，建立了頁表映射的地址空間是進程實際占用的可以直接訪問的部分，就是圖中提到的已經分配的。內核里有一個獨立的內核頁表，用來映射內核空間到物理存儲的低1G空間，進程運行在用戶空間的時候使用進程頁表，陷入內核使用內核頁表。
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