第9讲 物理内存管理：连续内存分配
深入了解Windows句柄到底是什么（句柄是逻辑指针，或者是指向结构体的指针，图文并茂，非。。。
深⼊了解Windows句柄到底是什么（句柄是逻辑指针，或者是指向结构体的指针，图⽂并茂，⾮。
总是有新⼊门的Windows程序员问我Windows的句柄到底是什么，我说你把它看做⼀种类似指针的标识就⾏了，但是显然这⼀答案不能让他们满意，然后我说去问问度娘吧，他们说不⾏⽹上的说法太多还难以理解。
今天⽐较闲，我上⽹查了查，光是百度百科词条“句柄”中就有好⼏种说法，很多叙述还是错误的，天知道这些误⼈⼦弟的⼈是想⼲什么。
这⾥我列举词条中的关于句柄的叙述不当之处，⾄于如何不当先不管，继续往下看就会明⽩:1.windows 之所以要设⽴句柄，根本上源于管理机制的问题—，简⽽⾔之数据的地址需要变动，变动以后就需要有⼈来记录管理变动，（就好像户籍管理⼀样），因此系统⽤句柄来记载数据地址的变更。
2.如果想更透彻⼀点地认识句柄，我可以告诉⼤家，句柄是⼀种指向的。
通常我们说句柄是WINDOWS⽤来标识被应⽤程序所建⽴或使⽤的对象的唯⼀整数。
这句话是没有问题的，但是想把这句话对应到具体的内存结构上就做不到了。
下⾯我们来详细探讨⼀下Windows中的句柄到底是什么。
1.虚拟内存结构要理解这个问题，⾸先不能避开Windows的虚拟内存结构。
对于这个问题已有前⼈写了⽐较好的解释，这⾥我为了保证博客连贯性，直接贴上需要的部分(原⽂是讲解JVM虚拟机的性能提升的⽂章，在其中涉及到了虚拟内存的内容，解释的⾮常好，这⾥我截取这部分略加修改，这⾥是)我们知道，CPU是通过寻址来访问内存的。
32位CPU的寻址宽度是 0~0xFFFFFFFF ，计算后得到的⼤⼩是4G，也就是说可⽀持的物理内存最⼤是4G。
但在实践过程中，碰到了这样的问题，程序需要使⽤4G内存，⽽可⽤物理内存⼩于4G，导致程序不得不降低内存占⽤。
为了解决此类问题，现代CPU引⼊了（Memory Management Unit 内存管理单元）。
MMU 的核⼼思想是利⽤虚拟地址替代物理地址，即CPU寻址时使⽤虚址，由 MMU 负责将虚址映射为物理地址。
内存相关知识总结
内存相关知识总结内存是计算机中的重要组成部分，它用于存储和访问数据和指令。
下面将就内存相关知识进行总结，包括内存的基本概念、内存的分类、内存管理、内存的优化以及内存相关的一些常见问题。
一、内存的基本概念1.内存的定义：内存是计算机中用于存储数据和指令的硬件设备，它以字节为单位进行存储和读取。
2.内存的作用：内存用于存储计算机程序和数据，在计算机运行程序时，需要将程序和数据调入内存，并在内存中进行读取和处理。
3.内存的特点：-随机访问：内存中的数据可以随机访问，不受顺序限制。
-高速读写：相比于其他存储介质，内存的读写速度非常快。
-容量有限：内存的容量是有限的，取决于计算机硬件的配置和型号。
二、内存的分类1.物理内存和虚拟内存：物理内存指的是计算机中实际存在的内存，而虚拟内存是一种扩展内存的技术，它利用硬盘空间作为虚拟内存扩展，可以将不常用的数据和指令放置在硬盘上，以释放物理内存空间。
2.主存和辅助存储器：主存是计算机中的主要存储介质，包括内存和缓存；而辅助存储器则是主存的补充，包括硬盘、光盘等存储介质。
三、内存管理内存管理是操作系统中非常重要的一部分，它负责管理内存的分配和回收，以优化内存的使用效率。
1.内存分配：操作系统通过内存分配算法将内存空间划分为多个块，并将这些块分配给进程使用。
-连续内存分配：将内存划分为固定大小的块，每个进程需要一整块连续内存空间。
-非连续内存分配：将内存划分为多个不连续的块，每个块大小不一，可以根据进程的需求进行动态分配。
2.内存回收：内存回收是指在进程结束或者不再使用其中一块内存时，将其释放给系统，以供其他进程使用。
四、内存的优化为了提高内存的利用效率和系统的性能，可以进行如下内存优化。
1.内存对齐：内存对齐是指数据在内存中存储的起始地址必须是其本身大小的整数倍，以提高内存读取的效率。
2.缓存优化：利用缓存来提高内存读取速度，常用的缓存优化方法有预取、缓存锁定和自动换页机制等。
内核物理内存分配方式
内核物理内存分配是操作系统内核管理物理内存的过程，不同的操作系统可能采用不同的内存分配方式。
一般来说，常见的内核物理内存分配方式包括以下几种：
1. 固定分区分配（Fixed Partition Allocation）：
在这种方式下，物理内存被划分为若干固定大小的分区，每个分区用于分配给特定的内核模块或任务使用。
这种方式简单直观，但会导致内存碎片问题，限制了内存的灵活利用。
2. 动态分区分配（Dynamic Partition Allocation）：
这种方式下，物理内存被动态划分为不同大小的分区，内核可以根据需要动态分配和回收这些分区。
这种方式相对灵活，但也容易产生内存碎片，并且需要更复杂的内存管理算法来进行内存分配和回收。
3. 页式内存分配（Paging）：
在页式内存管理中，物理内存和逻辑内存都被划分为固定大小的页面（Page），内核将逻辑地址空间映射到物理地址空间的页面上。
这种方式可以有效解决内存碎片问题，但需要额外的页表来进行地址映射。
4. 段式内存分配（Segmentation）：
段式内存管理将逻辑地址空间划分为若干个段（Segment），每个
段的大小可以不同，而物理内存则被划分为相应的物理段。
内核通过段描述符来管理逻辑地址到物理地址的映射关系。
在实际的操作系统中，通常会综合利用以上多种内存分配方式，例如采用页式内存管理来解决内存碎片问题，同时结合动态分区分配来处理不同大小的内存请求。
内核物理内存分配的方式取决于操作系统的设计和内存管理算法的选择，不同的内存分配方式都有各自的优缺点，需要根据具体情况进行选择和权衡。
连续分配存储管理方式
连续分配存储管理方式什么是连续分配存储管理方式连续分配存储管理方式指的是将内存空间划分为一系列连续的块，并按照一定的规则将这些块分配给进程使用。
这种存储管理方式广泛应用于操作系统中的进程管理和文件系统管理等领域。
连续分配存储管理的常见算法1. 首次适应算法（First Fit）首次适应算法是按照内存空间的地址顺序，从低地址到高地址依次查找可用的空闲块，并将进程分配到第一个满足大小要求的空闲块中。
该算法简单直接，但容易产生碎片。
2. 最佳适应算法（Best Fit）最佳适应算法是在所有可用的空闲块中选择最小且能满足进程大小要求的空闲块进行分配。
该算法能够充分利用内存空间，但是搜索过程较为复杂，效率较低。
3. 最坏适应算法（Worst Fit）最坏适应算法是在所有可用的空闲块中选择最大的空闲块进行分配，这样可以最大程度地保留大块空闲空间。
但是这种策略可能导致产生更多的碎片。
4. 快速适应算法（Next Fit）快速适应算法是首次适应算法的改进版本，在分配空闲块时，从上次分配的位置开始搜索。
这样可以避免每次都从头开始搜索，提高了搜索的效率。
连续分配存储管理的优点和缺点优点1.实现简单：连续分配存储管理算法相对而言比较简单，易于实现和理解。
2.内存利用率高：连续分配存储管理可以充分利用内存空间，减少空闲空间的浪费。
3.顺序访问性好：由于连续分配存储管理方式将内存空间划分为连续的块，所以对于顺序访问的进程来说，访问效率较高。
缺点1.碎片问题：连续分配存储管理容易产生内部碎片和外部碎片。
内部碎片是指分配给进程的内存块比进程所需的内存块大，造成内存空间浪费。
外部碎片是指内存空闲块的分布不连续，无法满足大块连续内存需求，导致内存的浪费。
2.分配效率低：由于需要搜索可用的空闲块，连续分配存储管理的分配效率相对较低。
3.控制粒度难以调整：连续分配存储管理方式中，分配块的大小通常是固定的，难以根据进程的需要进行灵活调整。
操作系统概念第七版7-9章课后题答案(中文版)
7.1假设有如图7.1所示的交通死锁。
a.证明这个例子中实际上包括了死锁的四个必要条件。
b.给出一个简单的规则用来在这个系统中避免死锁。
a.死锁的四个必要条件: (1)互斥；（2）占有并等待；（3）非抢占；（4）循环等待。
互斥的条件是只有一辆车占据道路上的一个空间位置。
占有并等待表示一辆车占据道路上的位置并且等待前进。
一辆车不能从道路上当前的位置移动开（就是非抢占）。
最后就是循环等待，因为每个车正等待着随后的汽车向前发展。
循环等待的条件也很容易从图形中观察到。
b.一个简单的避免这种的交通死锁的规则是，汽车不得进入一个十字路口如果明确地规定，这样就不会产生相交。
7.2考虑如下的死锁可能发生在哲学家进餐中，哲学家在同个时间获得筷子。
讨论此种情况下死锁的四个必要条件的设置。
讨论如何在消除其中任一条件来避免死锁的发生。
死锁是可能的，因为哲学家进餐问题是以以下的方式满足四个必要条件：1）相斥所需的筷子， 2 ）哲学家守住的筷子在手，而他们等待其他筷子， 3 ）没有非抢占的筷子，一个筷子分配给一个哲学家不能被强行拿走，4 ）有可能循环等待。
死锁可避免克服的条件方式如下： 1 ）允许同时分享筷子， 2 ）有哲学家放弃第一双筷子如果他们无法获得其他筷子，3 ）允许筷子被强行拿走如果筷子已经被一位哲学家了占有了很长一段时间4 ）实施编号筷子，总是获得较低编号的筷子，之后才能获得较高的编号的筷子。
7.3一种可能以防止死锁的解决办法是要有一个单一的，优先于任何其他资源的资源。
例如，如果多个线程试图访问同步对象A•…E，那么就可能发生死锁。
（这种同步对象可能包括互斥体，信号量，条件变量等），我们可以通过增加第六个对象来防止死锁。
每当一个线程希望获得同步锁定给对象A•••E，它必须首先获得对象F的锁.该解决方案被称为遏制：对象A•••E的锁内载对象F的锁。
对比此方案的循环等待和Section7.4.4的循环等待。
这很可能不是一个好的解决办法，因为它产生过大的范围。
第9讲物理内存管理：连续内存分配
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成
地址空间的定义 地址生成 地址检查 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
地址空间定义
■ 物理地址空间 — 硬件支持的地址空间
起始地址0，直到 MAXsys
MAXsys
MAXprog
■ 逻辑地址空间 — 在CPU运行的进程看到的地址
起始地址0， 直到 MAXprog
内存
外存
操作系统的内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟存储(virtual memory)
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟存储
■ 实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合 MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
Southwest University of Science and Technology
第9讲 物理内存管理： 连续内存分配
授课教师：马立平 联系方式：
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 计算机体系结构 内存层次 操作系统的内存管理方式
■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
MAX 进程P6
进程P5 进程P4
进程P3 进程P2
进程P1
0
最先匹配(First Fit Allocation)策略
思路：
分配n个字节，使用第 一个可用的空间比n大 的空闲块。
1K bytes
2K bytes
2K bytes
示例： 分配400字节，使用 第一个1KB的空闲块。
500 bytes
内存连续分配方式实验
内存连续分配方式实验内存连续分配是操作系统中的重要概念之一、在计算机系统中，内存分配是指将进程所需的内存空间分配给其使用，同时也需要满足内存管理的要求。
内存连续分配方式是指将进程所需的内存空间连续地划分并分配给进程。
下面将介绍内存连续分配的几种方式及实验。
1.固定分区分配方式：固定分区分配方式是将整个内存空间分为若干个大小相等的分区，并为每个分区分配一个进程。
这种分配方式适用于进程数固定或进程大小相对稳定的场景。
固定分区分配方式的优点是简单易实现，缺点是可能会造成内存空间浪费，同时，当进程数或进程大小发生变化时，需要重新划分分区，性能较差。
2.动态分区分配方式：动态分区分配方式是根据进程的实际需要动态地分配内存空间。
动态分区分配方式将内存空间划分为若干个大小不等的分区，每个分区都可以独立地分配给进程使用。
当有新进程需要内存空间时，系统会根据分区空闲情况找到合适的分区进行分配。
动态分区分配方式的优点是充分利用内存空间，缺点是可能会出现内存碎片问题。
3.伙伴系统分配方式：伙伴系统分配方式是一种动态分区分配方式的改进版本。
它将内存空间划分为若干个大小相等的块，每个块大小都是2的幂。
当有新进程需要内存空间时，系统会找到与其大小最接近的空闲块进行分配。
如果找到的块大于所需大小，则将其划分为两个大小相等的块，其中一个分配给进程，另一个留作备用；如果找到的块小于所需大小，则会继续查找更大的空闲块进行分配。
伙伴系统分配方式的优点是减少了内存碎片问题，缺点是实现较为复杂。
实验设计：1.实验目的：通过实验，测试和比较不同的内存连续分配方式在不同场景下的性能和效果。
2.实验环境：使用一台具备内存管理功能的计算机，并在上面运行操作系统。
3.实验步骤：a.首先，选择一种内存连续分配方式，如固定分区分配方式。
b.根据选择的分配方式，设置相应的分区大小和数量。
c.运行一些需要内存空间的进程，并观察它们的分配情况。
d.记录每个进程所分配到的内存空间大小和位置，以及未分配的内存空间大小和位置。
内存分配的三种方式
内存分配的三种⽅式⼀、内存基本分配可编程内存在基本上分为这样的⼏⼤部分：静态存储区、堆区和栈区。
静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运⾏期间都存在。
它主要存放静态数据、全局数据和常量。
栈区：在执⾏函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执⾏结束时这些存储单元⾃动被释放。
堆区：亦称动态内存分配。
程序在运⾏的时候⽤malloc或new申请任意⼤⼩的内存，程序员⾃⼰负责在适当的时候⽤free或delete释放内存。
动态内存的⽣存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。
但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使⽤，需要将其释放掉，否则，我们认为发⽣了内存泄漏现象。
⼆、三者之间的区别我们通过代码段来看看对这样的三部分内存需要怎样的操作和不同，以及应该注意怎样的地⽅。
例⼀：静态存储区与栈区char* p = “Hello World1”;char a[] = “Hello World2”;p[2] = ‘A’;a[2] = ‘A’;char* p1 = “Hello World1;”这个程序是有错误的，错误发⽣在p[2] = ‘A’这⾏代码处，为什么呢？是指针变量p和变量数组a都存在于栈区的（任何临时变量都是处于栈区的，包括在main（）函数中定义的变量）。
但是，数据“Hello World1”和数据“Hello World2”是存储于不同的区域的。
因为数据“Hello World2”存在于数组中，所以，此数据存储于栈区，对它修改是没有任何问题的。
因为指针变量p仅仅能够存储某个存储空间的地址，数据“Hello World1”为字符串常量，所以存储在静态存储区。
虽然通过p[2]可以访问到静态存储区中的第三个数据单元，即字符‘l’所在的存储的单元。
但是因为数据“Hello World1”为字符串常量，不可以改变，所以在程序运⾏时，会报告内存错误。
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■ 需要的分区大小为2U-1 < s ≤ 2U 时，把整个块分配
逻辑 地址 CPU
no ≤ yes +
物理 地址
1500
进程 P的 物理 地址 空间
指令 指令
500
段长度 寄存器
1000
段基址 寄存器
1000
MAXprog
进程P 逻辑地址空间
0
movl %eax, $0xfffa620e
设置起始(base)和最大(limit) 逻辑地址空间
操作系统
0
内存管理方式
分区的地址是连续的
■ 操作系统需要维护的数据结构
进程P4
所有进程的已分配分区
空闲分区(Empty-blocks)
■ 动态分区分配策略
进程P3 进程P2
最先匹配(First-fit) 最佳匹配(Best-fit) 最差匹配(Worst-fit)
0
进程P1
最先匹配(First Fit Allocation)策略
0
逻辑地址生成
0
Southwest University of Science and Technology
1000
函数库
0 prog P : : foo() : : end P P: : push ... inc SP, x jmp _foo : foo: ... 75 : push ... inc SP, 4 jmp 75 : ... 100 : : : jmp 175 : ... 175 1175 1100
加载时，生成绝对地址
■
执行时 执行时代码可移动 需地址转换(映射)硬件支持
地址生成过程
■ CPU
ALU：需要逻辑地址的内存内容 MMU：进行逻辑地址和物理地 址的转换 CPU控制逻辑：给总线发送物理 地址请求
ALU
控制器
Southwest University of Science and Technology
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟内存
Southwest University of Science and Technology
■
实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合
MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成
示例： 分配400字节，使用第 2个空闲块（最大）
500 bytes
为空闲块
最差匹配(Worst Fit Allocation)策略
■ 原理 & 实现 空闲分区列表按由大到小排序 分配时，选最大的分区
Southwest University of Science and Technology
释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并， 并调整空闲分区列表顺序
碎片整理
■ 伙伴系统
连续内存分配和内存碎片
■ 连续内存分配
给进程分配一块不小于指定大小的连 续的物理内存区域 ■ 内存碎片 空闲内存不能被利用 ■ 外部碎片 分配单元之间的未被使用内存
Southwest University of Science and Technology
MAX
进程P3 地址空间
Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals
内存层次
处理器 CPU 访问速度 最快 3.6GHz
Southwest University of Science and Technology
L1缓存
L2缓存
高速缓存未命中
硬件 (MMU)
■ 缺点
外部碎片 释放分区较慢 容易产生很多无用的小碎片
最差匹配(Worst Fit Allocation)策略
1K bytes
Southwest University of Science and Technology
思路： 分配n字节，使用尺寸不 小于n的最大空闲分区
1K bytes
2K bytes
计算机体系结构 内存层次 操作系统的内存管理方式
■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
计算机体系结构
算术逻辑单元(ALU)
Southwest University of Science and Technology
控制逻辑
寄存器 高速缓存 存储管理单元（MMU）
CPU
总线
内存
I/O设备
movl %eax, $0xfffa620e
CPU
寄存器 高速缓存 MMU
物理地址生成
地址映射 逻辑地址<--->物理地址
■ 内存
发送物理地址的内容给CPU 或接收CPU数据到物理地址
■ 操作系统
建立逻辑地址LA和物理地址PA 的映射
总线
内存
I/O设备
地址检查
MAXsys 内存异常
Southwest University of Science and Technology
■ 原理 & 实现 空闲分区列表按照大小排序 分配时，查找一个合适的分区
Southwest University of Science and Technology
释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）
■ 优点 大部分分配的尺寸较小时，效果很好
· 可避免大的空闲分区被拆分 · 可减小外部碎片的大小 · 相对简单
起始地址0，直到 MAXsys
■ 逻辑地址空间 — 在CPU运行的进程看到的地址 起始地址0， 直到 MAXprog
MAXprog
进程P
0
但是地址 (address) 是从哪里来的 地址(address) 是从哪里来的 ?? movl %eax, %eax, $0xfffa620e movl $0xfffa620e
Southwest University of Science and Technology
■ 伙伴系统
碎片整理：紧凑(compaction)
■ 碎片整理 通过调整进程占用的分区位置 来减少或避免分区碎片 ■ 碎片紧凑 通过移动分配给进程的内存分 区，以合并外部碎片 碎片紧凑的条件
· 所有的应用程序可动态重定位
■ 内部碎片
分配单元内部的未被使用内存 取决于分配单元大小是否要取整
代码 数据 堆栈
0 进程P2 地址空间
进程P1 地址空间
连续内存分配：动态分区分配
■ 动态分区分配
Southwest University of Science and Technology
MAX
进程P6 进程P5
当程序被加载执行时，分配一个进 程指定大小可变的分区(块、内存块)
Southwest University of Science and Technology
第9讲 物理内存管理：
连续内存分配
授课教师：马立平 联系方式：maliping@
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次
Southwest University of Science and Technology
Southwest University of Science and Technology
■
实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合 MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟内存(virtual memory)
0 操作系统内核
■ 虚拟化
逻辑（虚拟）地址空间 物理地址空间
MMU
更大的地址空间
内存
外存
操作系统的内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟存储(virtual memory)
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟存储
Southwest University of Science and Technology
地址空间的定义 地址生成 地址检查
■ 连续内存分配
■ 伙伴系统
地址空间定义
■ 物理地址空间 — 硬件支持的地址空间
MAXsys
Southwest University of Science and Technology
较快
快 1.3GHz
内存
缺页
操作系统
5ms 慢 (查找时间)
外存(虚拟内存)
操作系统的内存管理
Max
Southwest University of Science and Technology
■ 抽象
逻辑地址空间
P1 进程 P2 进程 P3 进程 P4 进程
■ 保护
独立地址空间
■ 共享
访问相同内存
P3 P2 P1 P4
就绪队列 就绪 运行
P1 P4 P3 P2
对换等待 对换等待队列
等待
等待队列
OS 内存 外存
碎片整理：分区对换(Swapping in/out)
操作系统内核
Southwest University of Science and Technology
① 换入 进程p1
② 换出
进程p2
用户地址空间 内存
外存
■ 需要解决的问题
交换哪个（些）程序？
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统 伙伴系统的实现 ucore中的伙伴系统