單、多道編程操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理
1.單道編程的內(nèi)存管理
在單道編程環(huán)境下，整個內(nèi)存里面只有兩個程序：一個是用戶程序，另一個是操作系統(tǒng)。由于只有一個用戶程序，而操作系統(tǒng)所占用的內(nèi)存空間是恒定的，我們可以將用戶程序總是加載到同一個內(nèi)存地址上。即用戶程序永遠(yuǎn)從同一個地方開始執(zhí)行。
在這種管理方式下，操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)跳轉(zhuǎn)到同一個地方來啟動用戶程序。這樣，用戶程序里面的地址都可以事先計(jì)算出來，即在程序運(yùn)行前就計(jì)算出所有的物理地址。這種在運(yùn)行前即將物理地址計(jì)算好的方式叫做靜態(tài)地址翻譯。
固定地址的內(nèi)存管理單元非常簡單，實(shí)際上并不需要任何內(nèi)存管理單元。因?yàn)槌绦虬l(fā)出的地址已經(jīng)是物理地址，在執(zhí)行過程中無須進(jìn)行任何地址翻譯。而這種情況的直接結(jié)果就是程序運(yùn)行速度快，因?yàn)樵竭^了地址翻譯這個步驟。
缺點(diǎn)：
1.整個程序要加載到內(nèi)存空間中去，將導(dǎo)致比物理內(nèi)存大的程序無法運(yùn)行。
2.只運(yùn)行一個程序造成資源浪費(fèi)，如果一個程序很小，雖然所用內(nèi)存空間小，但剩下的內(nèi)存空間也無法使用。
3.程序可能無法在不同的操作系統(tǒng)下運(yùn)行，因?yàn)椴煌僮飨到y(tǒng)占用的內(nèi)存空間大小可能不一樣，使得用戶程序的起始地址可能不一樣。這樣在一個系統(tǒng)環(huán)境下編譯出來的程序很可能無法在另一個系統(tǒng)環(huán)境下執(zhí)行。
2.多道編程的內(nèi)存管理
多道編程可以極大地改善CPU和內(nèi)存的效率，改善用戶響應(yīng)時間，但代價是操作系統(tǒng)的復(fù)雜性。
因?yàn)槎嗟谰幊痰那闆r下，無法將程序總是加到固定的內(nèi)存地址上，也就是無法使用靜態(tài)地址翻譯。這樣我們就必須在程序加載完畢后才能計(jì)算物理地址，也就是在程序運(yùn)行時進(jìn)行地址翻譯，進(jìn)行從虛擬地址->物理地址的翻譯，這種翻譯稱為動態(tài)地址翻譯。
多道編程下的內(nèi)存管理策略有兩種：固定分區(qū)和非固定分區(qū)。
2.1 固定分區(qū)的多道編程內(nèi)存管理策略
固定分區(qū)的管理就是將內(nèi)存分為固定的幾個區(qū)域，每個區(qū)域的大小固定。最下面的分區(qū)為操作系統(tǒng)占用，其他分區(qū)由用戶程序使用。這些分區(qū)大小可以一樣，也可以不一樣?？紤]到程序大小不一的實(shí)際情況，分區(qū)的大小通常也各不相同。當(dāng)需要加載程序時，選擇一個當(dāng)前閑置且容量夠大的分區(qū)進(jìn)行加載。
共享隊(duì)列的固定分區(qū)策略
這種模式下，當(dāng)一個新的程序想要運(yùn)行，必須排在一個共同的隊(duì)列里等待。當(dāng)有空閑分區(qū)時，才能進(jìn)行加載。由于程序大小和分區(qū)大小不一定匹配，有可能形成一個小程序占用一個大分區(qū)的情況，從而造成內(nèi)存里雖然有小分區(qū)閑置，但無法加載大程序的情況。
分開隊(duì)列的固定分區(qū)策略
為解決上述問題，我們可以將小程序加載到小分區(qū)里，讓不同的分區(qū)有不同的隊(duì)列，程序就可以分配到大小更合適的內(nèi)存空間。當(dāng)然，這種方式也有缺點(diǎn)，就是如果還有空閑分區(qū)，但等待的程序不在該分區(qū)的等待隊(duì)列上，就將造成有空間而不能運(yùn)行程序的尷尬處境。
2.2非固定分區(qū)的多道編程內(nèi)存管理策略
非固定分區(qū)的思想很簡單：當(dāng)一個程序需要占用內(nèi)存空間時，就在該片空間里面分出一個大小剛剛滿足程序所需的空間；再來一個程序，則在剩下的空間里面再這樣分出一塊來。在這種模式下，一個程序可以加載到任何地方。
非固定分區(qū)內(nèi)存地址管理的機(jī)制也很簡單，使用基址+極限來進(jìn)行地址翻譯。
即：
? 物理地址=虛擬地址+程序所在區(qū)域的起始地址
這種方式可以對每一個程序配備兩個寄存器：基址寄存器和極限寄存器。所有訪問地址都必須在這兩個寄存器值框定的空間里，否則就算非法訪問。
非固定分區(qū)這種管理方式存在一個重大問題：如果程序在執(zhí)行過程中需要更多空間，怎么辦？解決的辦法當(dāng)然是在一開始給程序分配空間時就分配足夠大的空間，留有一片閑置空間供程序增長用。不過，在分配增長空間后需要考慮一個問題。一個程序的空間增長通常有兩個來源：數(shù)據(jù)和棧。
分配增長空間
1.數(shù)據(jù)和棧往一個方向增長。缺點(diǎn)：當(dāng)下面的數(shù)據(jù)長到上面數(shù)據(jù)所分配空間的底時，就無法再長了；而移動棧底非常不方便。
2.數(shù)據(jù)和棧相對而生長。這是UNIX采取的策略。
重疊
如果一個程序超過了物理內(nèi)存，還能運(yùn)行嗎？
其實(shí)是能的。這個辦法就是重疊。
重疊，就是將程序按照功能分成一段一段功能相對完整的單元，一個單元執(zhí)行完后，再執(zhí)行下一個單元，而一旦執(zhí)行到下一個單元，就不會再執(zhí)行前面的單元。所以我們可以把后面的程序單元內(nèi)存數(shù)據(jù)覆蓋到當(dāng)前程序單元上。這樣就可以執(zhí)行一個比物理內(nèi)存還要大的程序。
但是這相當(dāng)于把內(nèi)存管理的部分功能交給了用戶，不能算是操作系統(tǒng)提供的解決方案。
雙基址
如果我們運(yùn)行兩個一樣的程序，只是數(shù)據(jù)不同，我們自然想到能否讓兩個程序共享部分內(nèi)存空間。例如，如果我們同時啟動兩個PPT演示文稿，我們希望PPT的程序代碼部分能夠共享。
設(shè)定兩組基址和極限。數(shù)據(jù)和代碼分別用一組基址和極限表示，這就解決了問題。
2.3 交換內(nèi)存管理
問題是程序在運(yùn)行之前，我們無法知道它需要內(nèi)存的準(zhǔn)確大小，所以內(nèi)存增長的問題仍需解決，而交換就是一個方式。
交換是當(dāng)一個程序所占空間不夠時，我們將其倒到磁盤上，再加載到一片更大的內(nèi)存空間。
總結(jié)
到目前為止，本書已經(jīng)介紹了幾種基本的內(nèi)存管理方法，分別是固定加載地址的內(nèi)存管理、固定分區(qū)的內(nèi)存管理、非固定分區(qū)的內(nèi)存管理和交換內(nèi)存管理。其中，以交換內(nèi)存管理最為靈活和先進(jìn)。它可以解決因程序所需空間增長而無法繼續(xù)運(yùn)行的困難，又可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)多道編程。
但事實(shí)上，這種策略存在很多重大問題，而其中最重要的兩個問題是空間浪費(fèi)和程序大小受限。
為解決這些問題，出現(xiàn)了頁式內(nèi)存管理和段式內(nèi)存管理。
參考資料：
《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理》 鄒恒明著
