操作系统中的内存管理：内存压缩（Memory Compaction）技术

1. 问题背景：内存碎片

在操作系统中，进程申请和释放内存后，空闲内存可能被分割成许多不连续的小块，称为内存碎片。这分为两种：

• 外部碎片：内存块之间的空闲区域太小，无法分配给新进程。
• 内部碎片：已分配的内存块中未被使用的部分（如分配时按固定大小分页，但进程实际需求小于页大小）。

内存压缩主要解决外部碎片问题。

2. 内存压缩的核心思想

内存压缩通过移动已分配的内存块，将分散的小空闲区域合并成一个大的连续空闲区域，从而满足新进程的大内存需求。例如：

初始内存布局：[进程A][空闲][进程B][空闲][进程C]  
压缩后布局：[进程A][进程B][进程C][大块连续空闲]  

3. 内存压缩的步骤（以连续内存分配为例）

步骤1：暂停进程运行

• 压缩过程中需要修改内存地址映射，因此需暂停所有进程，避免地址访问错误。

步骤2：遍历内存块并标记可移动的进程

• 操作系统检查每个已分配的内存块（如进程的数据段、堆段），判断是否可移动：
  • 动态分配的内存（如堆内存）通常可移动。
  • 某些特殊内存（如DMA缓冲区）可能固定不可移动。

步骤3：移动内存块并更新地址映射

• 将可移动的内存块按顺序迁移到内存低地址端，逐步填充空闲区域：
  1. 复制原内存块内容到目标地址。
  2. 更新进程的页表或基址寄存器（如基址-界限寄存器的基址值）。
  3. 清除原内存块标记。

步骤4：合并空闲区域

• 移动完成后，所有空闲区域被合并到内存高端，形成连续大空闲块。

步骤5：恢复进程运行

• 进程从新地址继续执行，由于地址映射已更新，进程无感知（透明性）。

4. 关键问题与挑战

问题1：地址更新如何保证正确性？

• 硬件依赖：
  • 若使用基址寄存器，只需修改基址值（需硬件支持重定位）。
  • 若使用页表，需更新页表项中的物理页号，并刷新TLB（快表）避免旧映射缓存。

问题2：压缩时机如何选择？

• 两种策略：
  1. 主动压缩：当外部碎片超过阈值时触发（如空闲内存总量足够但无连续大块）。
  2. 被动压缩：在内存分配失败时触发（如请求连续100KB，但最大空闲块只有80KB）。

问题3：移动内存的开销如何降低？

• 优化方向：
  • 选择部分内存块移动（如仅移动阻碍合并大空闲块的关键进程）。
  • 与页面置换结合（如将很少访问的页面换出到磁盘，减少移动量）。

5. 实际应用场景

• 早期操作系统（如Windows 98）使用内存压缩应对物理内存不足。
• 嵌入式系统中常见于实时内存管理（如RTOS的堆内存整理）。
• 现代系统更多依赖分页机制解决外部碎片（如页式内存管理天然避免外部碎片），但内存压缩仍用于特定场景（如Java虚拟机的垃圾回收中的内存整理）。

6. 总结

内存压缩通过移动内存块合并空闲区域，直接解决外部碎片问题，但需付出暂停进程和复制内存的开销。其实现依赖硬件地址转换机制（如重定位寄存器或页表），并在内存分配策略中权衡效率与响应速度。