操作系统中的内存管理：内存压缩（Memory Compaction）技术

描述
内存压缩是一种解决外部碎片问题的技术。当系统中存在多个空闲内存块，但每个块都太小而无法满足进程的内存请求时，就会发生外部碎片。内存压缩通过移动已分配的内存区域，将多个小空闲块合并成一个大的连续空闲块，从而提升内存利用率。该技术通常作为动态分区分配（如首次适应、最佳适应算法）的补充机制。

解题过程

1. 问题背景：外部碎片的形成

   • 动态内存分配过程中，进程的加载与卸载会导致内存中出现许多分散的小空闲区域。
   • 例如：假设内存总大小为100MB，现有三个进程分别占用20MB、30MB、10MB，其余40MB空闲但被分割成不连续的区域（如进程间夹杂5MB、10MB的空闲块）。此时若新进程需要15MB，即使总空闲足够，也无法分配。

2. 内存压缩的核心思想

   • 移动已分配进程：将所有已分配的内存区域向一端（如低地址端）集中，从而将空闲区域合并到另一端。
   • 地址重定位：移动进程后，需更新进程的物理地址映射，确保其能正确执行。

3. 压缩时机

   • 按需压缩：当无法满足进程内存请求且总空闲足够时触发。
   • 定期压缩：系统周期性执行压缩以预防碎片积累。

4. 具体步骤
   步骤1：检查内存状态

   • 扫描内存分区表或空闲链表，确认所有空闲块的大小均小于当前请求的内存大小。
   • 计算所有空闲块的总和，若总和足够则满足压缩条件。

   步骤2：选择移动方向

   • 通常将进程向低地址端移动（左压缩），使空闲块聚集在高地址端。
   • 例如：将内存划分为连续分区[进程A|空闲|进程B|空闲|进程C]，压缩后变为[进程A|进程B|进程C|大空闲块]。

   步骤3：移动进程与更新地址

   • 挂起进程：暂停待移动进程的运行，防止在移动过程中访问旧内存。
   • 复制数据：将进程的数据按字节或块复制到目标地址。
   • 更新页表/基址寄存器：若系统使用分页机制，需修改页表项中的物理页号；若为分段机制，则更新段基址寄存器。
   • 恢复执行：进程从新地址继续运行。

   步骤4：合并空闲块

   • 移动完成后，所有空闲块自然连接成一个连续区域，更新空闲链表为单个大块。

5. 挑战与优化

   • 开销问题：移动大量数据消耗CPU时间，可能暂停所有进程。
     • 优化：使用增量压缩（仅移动部分进程）或结合空闲块合并算法（如伙伴系统）减少压缩频率。
   • 实时系统限制：移动进程会导致响应延迟，需谨慎使用。
   • 硬件支持：某些架构提供重定位硬件（如MMU），可加速地址转换。

6. 实例演示

   • 初始内存布局：[P1(10K)|空闲(5K)|P2(15K)|空闲(10K)|P3(20K)]，空闲总大小15K但分散。
   • 请求分配12K：直接分配失败，触发压缩。
   • 压缩后：[P1(10K)|P2(15K)|P3(20K)|空闲(45K)]，此时可分配12K给新进程。

总结
内存压缩通过牺牲短期性能（移动数据开销）换取长期内存利用率提升，是解决外部碎片的有效手段，常与动态分区分配策略配合使用。实际系统中需权衡压缩频率与性能影响。