操作系统原理 —— 内存管理的概念（十八）

为什么要有内存管理

为什么要对内存进行管理，需要解决什么问题？

要回答这个问题，首先我们需要明白：进程运行时，需放在内存才能运行。比如在执行一个程序时，需将该程序的相关数据与指令装入内存才能运行。但是内存是有限的，如果多个进程同时运行，就会出现内存不够用的情况。操作系统这时就帮我们做出抉择，并决定当前内存中应该存放哪几个进程，以及存放在内存中的什么位置。

总的来说，需要对内存进行管理的原因是：内存空间有限，不能无限使用。引入内存管理能够解决的问题：进程在内存空间中怎么放，什么时候该放哪个进程进入内存。这一过程由操作系统帮助管理。

以上内容原文链接：https://blog.csdn.net/qq_40359223/article/details/122218539

内存管理它又做了哪些事呢？ 一共分了四个部分，我们接着往下看：

内存空间的分配和回收

首先内存管理主要做的事就是内存空间的分配和回收，在一个操作系统中，内存中同时存放了很多个进程，操作系统要怎么记录哪些内存被分配出去了？哪些又是空闲的状态？ 开启一个新的进程，又该分配到内存中哪一块？ 进程结束之前分配的内存空间又该如何回收？

这些问题都是由操作系统内存管理来实现，具体在这个章节中不详细展开来讲，只是讨论操作系统内存管理需要做哪些事。

内存空间的扩充

内存管理第二个要做的事就是对内存空间的扩充，假设目前一台操作系统它的运行内存只有 4GB 大小，但是运行了很多个程序，比如假设：QQ 使用了 500M 内存、QQ 飞车占用了 3G内存，QQ 音乐又占了 1 GB，从数据上来看，这三个进程所需要的运行内存相加是超过了计算机中 4 GB 的内存，那为什么他们三个软件还能够同时执行呢？

这个就是虚拟技术，操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充，这也是内存管理的一部分。

地址转换

地址转换这个就比较抽象，先问大家一个问题，在多个程序运行环境下，操作系统中会有很多个程序并发的执行，也就是说会有很多个程序需要同时放到内存中，那么，如何区分各个程序的数据时放在什么地方呢？

这个就和酒店道理一样，酒店每个房间都会有编号，内存中每一个小房间叫做存储单元，如果计算机按字节编址，则每一个存储单元大小为1字节，即 8 个bit，内存地址从1开始，每一个地址对应一个存储单元。

程序经过编译、链接后生成的指令中，对应的是内存的逻辑地址，而并非内存存储空间的物理地址，所以程序在执行过程中，是需要将逻辑地址，转换成对应的物理地址，才能够最终获取到想要的数据。

那么如何将指令的逻辑地址转换为物理地址呢？

我们先来看这张图：

当程序员写的代码经过编译、链接，最后转入模块到内存，在这个转入的时候，就可以做地址转换，

地址转换三种方式：

1、绝对转入：在编译的时候，如果知道程序将放到内存中哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。

2、可重定位转入（静态重定位）
编译、链接后的装入模块的地址都是从 0 开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址，可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置，装入时对地址进行 “重定位”，将逻辑地址变换为物理地址。

3、动态运行时转入（动态重定位）

编译、链接后的装入模块的地址都是从 0 开始的，装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址，这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

内存保护

什么是内存保护？ 在内存中同时装入了多个程序，每个程序都有属于自己的内存空间。假设进程 2 可以访问、修改进程 1 的内存空间内容，你们觉得这个合理吗？ 如果可以那岂不是很不安全，病毒程序就可以随意读取和篡改其他程序内容了，所以有两种机制做到内存保护：

方法一：在 CPU 设置一对上、下限寄存器，存放进程上限、下限地址，进程的指令要访问某个地址的时候，CPU 需要去检查当前访问的地址，是否越界了。

方法二：采用重定位寄存器和界地址寄存器进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址，界地址寄存器存放的是进程最大逻辑地址。

本章总结