第 6 章 · 内存管理

内存管理：把有限物理内存安全、高效地分给多进程，用虚拟内存让每个进程以为独占全部空间。

6.1 连续分配

把内存分成连续块分给进程。三种动态分区放置策略：

• 首次适应（First Fit）：从头找第一个够大的空闲块。快，低地址端碎片多。
• 最佳适应（Best Fit）：找最接近大小的空闲块。浪费最小，产生大量极小碎片，且要遍历。
• 最坏适应（Worst Fit）：找最大的空闲块。剩余块仍较大可用，但大块很快耗尽。

连续分配产生外部碎片：总空闲够但都太小不连续，装不下新进程。解决：紧凑（compaction），代价高。

6.2 分页 vs 分段

	分页	分段
划分依据	固定大小（如 4KB），无逻辑意义	逻辑单元（代码/数据/栈），变长
用户可见	不可见	可见，符合程序员视角
地址空间	一维（页号+页内偏移）	二维（段号+段内偏移）
碎片	内部碎片（最后一页浪费）	外部碎片（段间空隙）
共享/保护	按页，粒度粗	按段，语义清晰
现代用法	主流（x86 分页）	常与分页结合（段页式）

分段符合程序结构但外部碎片难处理；分页无外部碎片但破坏逻辑边界。现代系统用段页式：先分段再分页。

6.3 虚拟内存

虚拟内存：把磁盘当内存延伸，进程只把当前需要的页调入内存，其余留交换区。

• 局部性原理：时间局部性（刚用过的可能再用）+ 空间局部性（附近的可能用）——虚拟内存能成立的根基。
• 缺页（page fault）：访问的页不在内存，触发缺页中断从磁盘调入。缺页是第 7 章置换算法的触发器。

好处：地址空间可大于物理内存、隔离保护、共享库。代价：缺页磁盘访问慢（毫秒 vs 内存纳秒）。

6.4 地址转换：页表 + 快表

$\text{物理地址}=\text{页框号}\times\text{页大小}+\text{页内偏移}$

// 页表项存：页框号 + 有效位 + 权限位
phys = page_table[vpn].frame * PAGE_SIZE + offset;

• 页表：每进程一张，页号索引 → 页框号。多级页表解决页表太大。
• TLB（快表）：CPU 高速缓存，缓存最近用过的页表项，命中省一次访存。
• 有效访问时间：TLB 命中 ≈ 1 次访存；未命中 ≈ 2 次（先查页表再访存）。TLB 命中率是性能命门。

内部碎片 = 分给进程但用不完的块内浪费（分页最后一页）；外部碎片 = 块间无法利用的空隙（连续/分段）。分页只有内部碎片；分段/连续只有外部碎片。二者此消彼长。