存储器管理是操作系统的核心功能之一，它直接关系到计算机系统的性能、稳定性和资源利用率。本章主要探讨了操作系统如何高效地管理内存资源，并为上层应用和系统服务提供支持。

一、 存储器管理的基本概念与目标

存储器管理的核心目标是实现内存的高效、公平和安全使用。具体包括：

1. 地址映射与重定位：将程序中的逻辑地址转换为物理内存中的实际地址。这涉及静态重定位（加载时完成）和动态重定位（运行时由硬件MMU支持）。
2. 内存分配与回收：采用连续或非连续分配策略，为进程分配所需内存空间，并在进程终止后及时回收。
3. 内存保护：确保每个进程只能访问其被分配的内存区域，防止进程间相互干扰，增强系统安全性。
4. 内存扩充（虚拟内存）：利用外存（如硬盘）模拟更大的内存空间，通过请求调页和页面置换算法，实现“小内存运行大程序”。

二、 连续内存分配管理方式

主要分为单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配。

• 动态分区分配 是重点，它根据进程的实际需求动态划分内存。常用的分配算法有：
• 首次适应（FF）：从低地址开始查找第一个足够大的空闲区。

• 最佳适应（BF）：查找能满足要求的最小空闲区，以减少碎片。

- 最坏适应（WF）：总是分配最大的空闲区，以避免产生过多难以利用的小碎片。
动态分区会产生外部碎片，需要通过“紧凑”技术来解决。

三、 非连续内存分配管理方式

为了更灵活地利用内存并减少碎片，现代操作系统普遍采用分页和分段机制。

1. 分页存储管理：

• 将物理内存和进程逻辑空间均划分为固定大小的“页框”和“页面”。

• 通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射。

• 引入快表（TLB）加速地址变换过程。

• 优点：有效减少外部碎片，管理简单；缺点：存在内部碎片，且单级页表可能占用过大内存。

1. 分段存储管理：

• 按照程序的逻辑结构（如主程序、子程序、数据段）将进程空间划分为若干段。

• 通过段表进行映射，地址包含段号和段内偏移。

• 优点：便于代码共享和保护，符合程序员的直观视角；缺点：容易产生外部碎片。

1. 段页式存储管理：结合分段和分页的优点，先分段，段内再分页。既保留了逻辑清晰性，又提高了内存利用率，但地址变换过程更复杂。

四、 虚拟内存技术

虚拟内存是存储器管理的升华，它使得进程可用的逻辑地址空间远大于实际物理内存。

• 核心思想：将当前需要的部分页面装入内存，其余保留在磁盘的交换区（如页面文件）中。
• 关键实现：
• 请求调页：当访问的页面不在内存时，由硬件产生缺页中断，操作系统介入将其从磁盘调入。

• 页面置换：当需要调入新页面而内存已满时，需要选择一个旧页面换出。常用算法包括：

• 最佳置换（OPT）：理论最优，选择未来最长时间不被访问的页面，但无法预知。

• 先进先出（FIFO）：选择最早进入的页面，可能淘汰常用页，存在Belady异常。

• 最近最久未使用（LRU）：选择最长时间未被访问的页面，性能接近OPT，但实现开销较大。

• 时钟置换（CLOCK）：LRU的近似算法，通过使用位和循环扫描，在开销和效果间取得平衡。

• 影响性能的关键因素：缺页率。工作集模型和页面分配策略（固定/可变分配，局部/全局置换）用于优化性能。

五、 存储器管理与计算机系统服务

高效的存储器管理是众多系统服务得以稳定、高效运行的基石：

1. 进程管理与调度服务：内存管理为进程创建提供空间，其效率直接影响进程切换和上下文切换的速度。
2. 文件系统与I/O服务：文件读写操作常涉及缓冲区（在内存中）的管理。虚拟内存的页面交换也直接与磁盘I/O交互，内存管理策略深刻影响着I/O性能。
3. 系统安全与保护服务：通过内存保护机制（如页表/段表中的保护位），防止用户进程非法访问内核空间或其他进程空间，构成了系统安全的第一道防线。
4. 共享库与动态链接服务：分页和分段机制使得多个进程可以共享同一份代码（如系统库），节省了大量内存。
5. 高速缓存服务：内存本身可视为磁盘的高速缓存。操作系统的缓存管理策略（如页缓存）优化了数据的访问速度。

六、

存储器管理是连接硬件资源与软件应用的桥梁。从基础的连续分配到先进的虚拟内存，其演进始终围绕着提升利用率、保证性能、简化编程和增强安全的目标。理解其原理，不仅有助于掌握操作系统的核心，也为分析和优化整个计算机系统的服务性能提供了关键视角。在实际系统中，这些管理策略往往协同工作，共同支撑起高效、可靠的运算环境。