早期計(jì)算機(jī)都是直接訪問(wèn)物理內(nèi)存的，這樣想在內(nèi)存中同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)程序是不可能的，想想為什么？

下面給出三種存儲(chǔ)模型：

第一種和第三種均不常用了，因?yàn)橛脩舫绦蛞坏┏霈F(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)銷毀OS，當(dāng)按上述方式裝載程序時(shí)，新裝載的程序會(huì)覆蓋掉先前裝載的程序。唯一能并行的方法就是使用多線程，但是會(huì)共享信息，所以不可行。

后來(lái)提出內(nèi)存鍵的概念來(lái)區(qū)分在內(nèi)存中多道程序，此時(shí)內(nèi)存中可以裝載多道程序，但是一個(gè)程序可能因?yàn)閖mp指令跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)程序從而發(fā)生程序崩潰。這都是因?yàn)槭褂昧私^對(duì)地址產(chǎn)生的問(wèn)題，一種解決辦法是采用靜態(tài)重定位的方法，比如一個(gè)程序裝入到16000地址位，則程序中地址數(shù)都要加上16000這個(gè)常數(shù)，雖然這種方法一般來(lái)講是可行的，但是無(wú)法辨別它是重定位的地址還是不是重定位的地址，來(lái)了一個(gè)訪問(wèn)地址，那這個(gè)訪問(wèn)地址加不加16000，而且該方法會(huì)減慢裝載速度。

一種存儲(chǔ)器的抽象：地址空間

要想多個(gè)程序同時(shí)處于內(nèi)存中就需要解決兩個(gè)問(wèn)題：保護(hù)和重定向。我們希望每個(gè)程序都有自己獨(dú)立的一套地址空間。

一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是使用動(dòng)態(tài)重定位，利用基址寄存器（存放程序開(kāi)始地址）和界限寄存器（存放程序大小），當(dāng)指令讀或?qū)憯?shù)據(jù)字前，CPU硬件會(huì)將其發(fā)送到內(nèi)存總線前與基址寄存器中的值相加，并判斷相加后的指令是否越界。但是每次都要做加法運(yùn)算和比較運(yùn)算就會(huì)顯得很慢。

交換技術(shù)的出現(xiàn)

將所有進(jìn)程都裝載入內(nèi)存是不大可能的，一種策略是將空閑進(jìn)程存入磁盤，將需要使用的進(jìn)程整個(gè)裝入內(nèi)存；另一種策略是虛擬內(nèi)存

交換在內(nèi)存中產(chǎn)生了多個(gè)空閑區(qū)，通過(guò)把所有內(nèi)存盡可能向下移動(dòng)，有可能將這些小的內(nèi)存區(qū)合并為大的內(nèi)存區(qū)，這稱為內(nèi)存壓縮，但通常不進(jìn)行該操作，因?yàn)榉浅：臅r(shí)，而且OS需要準(zhǔn)確的按其需要的大小分配內(nèi)存。

但是如果數(shù)據(jù)段可以增長(zhǎng)，例如，很多程序語(yǔ)言都允許從堆中動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。所以我們可以為其預(yù)留一部分空間。

其中，堆棧存放私有變量和返回地址，向下增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)段作為堆使用供變量動(dòng)態(tài)分配和釋放，向上增長(zhǎng)。

空閑內(nèi)存區(qū)管理-位圖方法

內(nèi)存可能被劃分為小到幾個(gè)字，大到幾千字節(jié)的分配單元，每個(gè)分配單元對(duì)應(yīng)位圖中的一位，0表示空閑，1表示占用。在分配一個(gè)k個(gè)分配單元的進(jìn)程時(shí)，需要在位圖中查找k個(gè)連續(xù)的分配單元進(jìn)行分配，這是非常耗時(shí)的。

空閑內(nèi)存區(qū)管理-鏈表

還有一個(gè)方法是維護(hù)一個(gè)記錄已分配的內(nèi)存段和空閑內(nèi)存段的鏈表，設(shè)當(dāng)X進(jìn)程結(jié)束后同時(shí)需要合并內(nèi)存。

當(dāng)然，這里有很多算法可以分配內(nèi)存，有首次適配法，下次適配法，最佳適配法（會(huì)生成更多的小的空閑區(qū)，可以考慮最差適配法）等。

虛擬內(nèi)存

為了防止某程序過(guò)大，最開(kāi)始采用覆蓋塊的方法，即手動(dòng)切割程序成一個(gè)個(gè)小塊，但是怎么切割是個(gè)問(wèn)題。于是這個(gè)問(wèn)題干脆交給計(jì)算機(jī)去做，虛擬內(nèi)存就誕生了。其基本思想是：

每個(gè)程序都有自己的基本空間，這個(gè)空間被分成多個(gè)塊，每個(gè)塊稱作一頁(yè)和頁(yè)面。（注意：虛擬內(nèi)存就是利用磁盤空間來(lái)擴(kuò)大內(nèi)存，所以稱為虛擬）

放張圖就明白了：

這里，我們通過(guò)頁(yè)表（基址+偏移量）來(lái)管理頁(yè)面，也可以加上TLB（塊表），計(jì)算機(jī)組成原理的內(nèi)容吧。有時(shí)，單個(gè)頁(yè)表是不夠表示頁(yè)面的，所以我們可以采用二級(jí)頁(yè)表或多級(jí)頁(yè)表，來(lái)看下面一張圖：

有頁(yè)面自然也有頁(yè)面置換算法，這些算法有最優(yōu)頁(yè)面置換算法，最近未使用置換算法，先進(jìn)先出置換算法等

在考慮如何交換時(shí)，如果考慮換出單個(gè)進(jìn)程中最小生存時(shí)間的頁(yè)面稱為局部頁(yè)面置換算法，考慮換出整個(gè)內(nèi)存中最小生存時(shí)間的頁(yè)面稱為全局頁(yè)面置換算法。通常情況下全局算法較好。另一種途徑是為進(jìn)程平均分配頁(yè)面，剩余放入公共池里面。

我們也可以采用測(cè)試缺頁(yè)中斷率的方法。

同時(shí)，我們也應(yīng)該選則合適的頁(yè)面大小，在共享方面，一般只讀的頁(yè)面可以作為共享頁(yè)面來(lái)減少內(nèi)存消耗。

共享庫(kù)

在靜態(tài)鏈接.o程序時(shí)，會(huì)造成很大的內(nèi)存消耗，因?yàn)橐溄硬煌瑤?kù)文件，這些庫(kù)文件直接裝載至內(nèi)存。但是共享庫(kù)（又稱動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，DLL），只會(huì)裝載一小段能夠在運(yùn)行時(shí)綁定被調(diào)用函數(shù)的存根例程，即用什么函數(shù)，才裝入對(duì)應(yīng)的頁(yè)面而不是整個(gè)文件裝入。當(dāng)然，如果其它程序裝載了該共享庫(kù)，則本程序就不需要裝載它了。

另外，如果DLL文件更新了，其并不需要重新編譯執(zhí)行，用戶只需要下載更新的DLL文件下次啟動(dòng)時(shí)即可使用。

來(lái)看兩個(gè)進(jìn)程使用共享庫(kù)，需要用相對(duì)地址：

共享庫(kù)實(shí)際上是內(nèi)存映射文件的一個(gè)特例。

如何進(jìn)行缺頁(yè)中斷處理？

審核編輯：劉清