内存管理（操作系统是如何管理内存的）

基址寄存器:存储进程访问的内存的起始地址。

极限寄存器:存储进程的内存长度。

例如

第一个程序运行时，基址寄存器和极限寄存器的值分别为0，16384，第二个程序运行时，这些值分别为16384和32768。如果第三个16KB的程序进来，基址寄存器的值是32768和16384。如下图所示

每个进程的内存地址被发送到物理内存之前。将自动添加基址寄存器的值。这样每个进程都会在固定的内存范围内活动，可以解决多个进程同时在内存的问题。为了避免用户进程任意改变寄存器中的值而导致的内存访问错误，在许多系统中，基址寄存器和极限寄存器只能由操作系统访问。

这种模式看似完美解决了多程序运行的问题，但问题是每次访问内存都要做加法和比较，加法速度太慢。而且进程的内存是动态变化的，所以这种方法不是最优解。

交换内存

我们先来看另一个问题——内存过载。每个程序员都希望拥有无限的内存，但这并不现实。就像你想拥有无限的金钱一样。软件膨胀的速度和人的欲望一样，永远不会满足。

交换内存(Swap memory):一个进程在运行一段时间后，被完全装入内存并存储在磁盘中。然后将另一个进程加载到内存中，继续运行。周期性交替空空闲进程主要存储在磁盘上。

这种方案不仅可以解决同时运行多个进程的问题，还可以解决内存过载的问题。由于数据频繁写入磁盘，硬盘的写入速度远不及内存。所以这个方案不是我们要找的最优方案。值得一提的是，虽然这种方案不能作为主流的内存管理方案，但是交换内存的概念却被保留了下来，并在实际应用中发挥了很大的作用，这一点后面会讲到。

虚拟内存

以解决同时运行多个程序和内存过载的问题。所有操作系统的终极解决方案——虚拟内存。虚拟内存概念的强大之处在于，只有当程序的一部分被加载到内存中时，程序才能运行。您不必像上面描述的那些模型那样，加载所有的内存来运行该进程。

虚拟内存:每个程序都有自己的虚拟地址空，这个空又被分成几个块，每个块称为一个页面。每页都有连续的地址空。这些也映射到物理内存。但不是所有的页面都必须在内存中才能运行程序。当程序引用的页面在物理内存中时，映射由操作系统完成。当程序访问的页面不在物理内存中时(缺页中断)，操作系统负责将所需页面加载到内存中。当一个程序等待一些内容读入内存时，它可以把CPU让给其他进程。

上一段有几个重点。让我给你整理一下。

虚拟地址

程序能寻址的最大空房间，所谓的虚拟地址，逻辑上是虚的，实际没那么大。32位操作系统的最大虚拟地址空为2 ^ 32空约为4G，64位操作系统的最大虚拟地址空为2 ^ 64。抱歉，我想不出有多大。

页，面，张，版

虚拟地址空按照固定的大小分成若干个单元，称为页面。

页面

物理内存中对应虚拟页面的单位称为页帧。页面和框架通常大小相同。

如何映射内存管理单元和页表？

将虚拟地址发送到内存管理单元，MMU包含在CPU中)，然后通过页表将虚拟地址映射到物理地址。页面的本质是一个函数，输入一个虚拟地址，输出一个真实的物理地址。

缺页中断

我们知道进程的虚拟地址空很大，但是物理内存肯定没有那么大，也就是不可能把所有的虚拟地址都映射到物理内存。当被访问的页面不在物理内存中时，就会发生页面中断。此时，需要页面调度算法将暂时不需要的页面替换到交换区，并将需要的页面加载到内存中。在等待页面切换时，CPU将处理其他进程。Linux会在磁盘中设置一个专门的区域作为内存的交换区域，这个区域不同于IO系统的disk 空。

例如

让我们简单看一下如何将虚拟内存地址映射到真实的物理内存地址。假设有一台可以生成16位地址的计算机，最大寻址范围是0到64k(2 ^ 16)，这台计算机的实际物理内存是32K。虽然我们可以编写64K的程序，但是不能完全加载到内存中。磁盘上必须有64K 空的空间，保证需要的时候可以把程序片段加载到内存中。如下图

共用存储器

为了更有效地使用内存，我们希望共享更多的内存。

多进程共享页面

实际上，指令空和数据空通常是分开的。指令空之间的页面很容易共享，因为指令空之间的内容是只读的。如果该页在data 空之间共享，请确保该数据是只读的，或者在data 空之间写入时制作一个副本。比如fork调用，只要一个进程写，就会复制一个副本，让每个进程都能读写。这个过程称为写入时复制。

多进程共享库

这是共享内存的另一个方面。共享页面是根据页面维度共享的，这是基于库维度的。很多进程会使用相同的底层库，比如windows的动态链接库(DLL)。这样内存中只加载一个副本就可以了，大大节省了内存空。

目标

以上内容大概介绍了操作系统内存管理的基础知识，但是还有很多细节没有涉及到，比如页面置换算法，如何更快的将虚拟地址映射到物理地址。如何处理过程中动态内存增长等问题？有兴趣可以私信我或者查阅相关书籍。