操作系统中的内存管理：内存分配算法（非连续内存分配）详解 1. 问题描述 在连续内存分配中，进程需要一块连续的物理内存空间，可能导致内存碎片问题（外部碎片）。 非连续内存分配 允许进程的内存空间分散在物理内存的不同位置，从而更灵活地利用内存。核心问题是如何管理这些分散的内存块，并实现高效的地址转换。 2. 非连续内存分配的基本思想 进程视角 ：进程的地址空间被划分为多个逻辑单元（如段或页），每个单元可以独立分配到物理内存的不同区域。 硬件支持 ：需要地址转换机制（如段表、页表）将逻辑地址映射到物理地址。 优势 ：减少外部碎片，提高内存利用率；允许部分加载进程（如分页机制下仅加载常用页）。 3. 实现方式一：分页（Paging） 步骤1：逻辑地址划分 将进程的地址空间划分为固定大小的单元，称为 页（Page） （如4KB）。 物理内存同样划分为与页大小相同的 页框（Page Frame） 。 步骤2：页表的作用 操作系统为每个进程维护一个 页表（Page Table） ，记录每个页号到页框号的映射。 逻辑地址结构： 页号P + 页内偏移d 。 步骤3：地址转换过程 CPU访问逻辑地址，由内存管理单元（MMU）自动拆分出页号 P 和偏移 d 。 查询页表，找到页号 P 对应的页框号 F 。 物理地址 = F × 页大小 + d 。 示例 ： 页大小4KB，逻辑地址0x2001（二进制：0010 0000 0000 0001）。 页号P=2（高4位），偏移d=1（低12位）。 若页表显示页号2映射到页框5，则物理地址 = 5×4096 + 1 = 0x5001 。 步骤4：页表的优化问题 页表可能过大（如32位系统需2^20个表项），需通过多级页表或倒排页表减少空间开销。 4. 实现方式二：分段（Segmentation） 步骤1：按逻辑单元划分 进程地址空间按功能划分为多个 段（Segment） （如代码段、数据段、堆栈段），每段长度可变。 步骤2：段表的作用 段表（Segment Table） 记录每个段的基地址（物理内存起始地址）和段长（边界检查用）。 逻辑地址结构： 段号S + 段内偏移d 。 步骤3：地址转换过程 根据段号 S 查找段表，获取基地址 base 和段长 limit 。 检查偏移 d 是否合法（ d < limit ），若越界则触发异常。 物理地址 = base + d 。 示例 ： 逻辑地址：段号2，偏移0x100。 段表显示段2的基地址为0x5000，段长0x200。 物理地址 = 0x5000 + 0x100 = 0x5100 。 步骤4：段的优势与挑战 优势：符合程序逻辑结构，便于共享和保护（如代码段只读）。 挑战：可能产生外部碎片（需通过内存压缩解决）。 5. 段页式结合（Segmentation with Paging） 步骤1：先分段，再分页 逻辑地址： 段号S + 段内页号P + 页内偏移d 。 先通过段表找到该段的页表基地址，再通过页表找到页框号。 步骤2：地址转换流程 根据段号 S 查找段表，得到该段对应的页表起始地址。 根据页号 P 在页表中找到页框号 F 。 物理地址 = F × 页大小 + d 。 优势 ：结合分段逻辑性与分页内存管理效率，常见于x86架构。 6. 关键问题与解决 地址转换速度 ：通过TLB（快表）缓存常用页表项，减少内存访问次数。 内存保护 ：页表或段表中添加权限位（如读/写/执行权限），防止非法访问。 碎片问题 ：分页机制无外部碎片，但可能有内部碎片（最后一页未用满）；分段需处理外部碎片。 总结 非连续内存分配通过分页、分段或段页结合，解决了连续分配的内存碎片问题。核心在于通过硬件辅助的地址转换机制（页表/段表）实现逻辑地址到物理地址的映射，同时需权衡管理开销与效率。