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引子

在讨论「如何」提高内存利用率之前，先问一句「为什么」要提高内存利用率

很简单，因为不够用。

通常意义上的内存即RAM，其价格必然远远高于磁盘。现如今，内存条单条128G都可以买的到（贫穷不仅限制了我的想象力，更限制了我的内存条容量）；可时间倒推几十年，那时的人们在内存上可谓省吃俭用。

在学习计算机组成原理的时候，我们就有这样的意识：CPU的与外部在速度上是有着巨大矛盾的。
而较高的内存利用率，使得其装得下更多的作业，也能够保证CPU的忙碌。

 
 
 

历史的弃子——从覆盖技术说起

这是在内存空间的分配中，曾经盛行的一种思路。

计算机发展早期，人们难免需要思考这样一个问题：一个程序太大了，内存装不下怎么办？

其实也不难想到，既然内存装不下，那就将程序段分多次装入，新装入的覆盖掉原先的。

这其实就是覆盖技术的基本思想。具体的实现是：将内存分为固定区+覆盖区，固定区中放入最活跃的程序段，而一些不常用且不可能被同时访问的程序段就放在覆盖段。

在起初，这种思想在内存空间的分配中应用十分广泛。比如在单道程序阶段的单一连续分配，在多道程序阶段的固定分区分配。
 
如今我们这样评价覆盖技术：

• 优点：无论是单一连续分配(只有一个分区)还是固定分区分配(多个分区提前固定好)，都不会产生外部碎片
• 缺点：0外部碎片的代价是，覆盖技术会产生大量大块的内部碎片——这导致内存的利用率很低

 
 

化固为动——动态分区分配

动态分区分配衍生出的诸多算法思路至今仍令人津津乐道。

提前划定好分区会导致过多的内存空间成为内部碎片，是因为我们压根不知道将要到达的进程究竟有多大；那么，是否可以在进程真正到达时，动态地为其分配分区呢？

这就是又一种内存空间的分配思路——动态分区分配

其实现方式是维护一个空闲分区表/链，进程来到就分配给其空闲分区，进程退出就回收其空闲分区。这样，内存空间的利用率大大的提升了。
 

还没有结束。我们似乎忽略了一个问题，当有多个空闲分区都满足要求时，进程应该分到哪个空闲分区？这听起来不是什么重要的事情，但是，下面要说的这些分区分配算法，非常有助于理解内存的分配与管理：

1. 首次适应算法（First Fit）：空闲分区按地址递增排序（不需要额外开销），每次都从低地址开始查找，找到第一个满足的空闲分区——似乎没什么致命的缺陷，只是低地址会留下碎片，而每次查找时都要经过它们
2. 最佳适应算法（Best Fit）：核心思想是优先使用小分区，以保留大分区——这需要先按分区大小进行排序，甚至每次分配之后又要重新排序，因而需要额外的算法开销；优点明显就是得以保留了大分区；缺点是会产生比First Fit多得多的小碎片
3. 最坏适应算法（Worst Fit）：核心思想是优先使用大分区，从而避免产生小碎片——一来还是需要根据大小进行排序的开销；二来大分区会被迅速用完，这会导致大进程到来后没有任何一个分区可用，这无比致命
4. 邻近适应算法（Next Fit）：该思路企图优化First Fit，即根据地址默认排序，每次从上次查找结束的位置开始查找——的确比起首次适应算法避免了每次都要走低地址的小碎片；但是高地址大分区会被用完

最终，反而首次适应算法（First Fit）的实际效果是最好的。

 
 
 

从连续到离散——分页、分段、段页式

如果一个水杯是一个内存空间的话，是鹅卵石更能塞满它，还是沙子更能塞满它呢？

在上面的比喻中，鹅卵石就像是单一连续分配/固定分区分配中的程序段、动态分区分配中的进程——它们都需要内存中一块连续的空间；沙子就像是接下来要说的段/页——实现在内存空间中的离散存放，从而提高内存空间的利用率，即“装满杯子”。

其中，分页比起分段，更能体现“通过离散存放提高内存利用率”的思想。下面对其进行着重介绍。
 
进程的逻辑地址空间被分为页、页面（Page），内存的物理地址空间被分为页框、页帧、内存块（Page Frame）—— 本质上，它们其实就是大小相等的块。

如何通过页表(指慢表，暂不考虑快表机制)，实现进程逻辑地址和内存物理地址的转换，是分页的关键。下面简要描述其地址变换过程：

1. 逻辑地址 —> 逻辑页号 + 页内偏移量
2. 页号的合法性检查（与页表长度对比）
3. 页表始址，页号 —> 页表对应的页表项，取出内容即为块号（第一次访存）
4. 内存块号 + 页内偏移量 —> 物理地址
5. 访问内存中的内存单元（第二次访存）

 
我们可以触类旁通，思考下面的问题：页表归根结底也是存放在内存中的，如果一个进程较大，它需要的页表也就较大，而页表项又需要连续的内存空间…

这是个套娃的问题——如何让页表离散到内存中？
也就需要套娃的答案——在页表上再次使用页表，使其离散。即二级页表。

只要能明白为什么要使用二级乃至多级页表，其实就说明你已经完全理解内存的非连续(离散)分配管理方式了。再次强调，离散存放的目的是本篇文章的主题，即提高内存利用率。
 

补充一点，分段的主要目的并不是提高内存利用率，而是根据程序自身的逻辑切分，以更好满足用户的需求（方便编程，分段共享和保护，动态链接和增长）；段页式是二者的兼顾；因为本文的侧重点在于讨论内存的利用率，因而着重介绍分页存储管理。

 
 
 

被欺骗的眼睛——虚拟内存

内存可以无限被放大。然而这是计算机OS制造的假象。

简单总结一下之前的内容：

• 连续分配管理方式：单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配
• 离散分配管理方式：基本分页、基本分段、基本段页式
• 为了提高内存的利用率，我们变固定为动态、变连续为离散…总的来说，传统存储管理方式已经基本妥善解决了碎片导致的内存利用率问题。

不妨把视角放高一些，不拘泥于内存本身的容量大小，从作业/进程的流动性的角度想一想——如果一个作业/进程因为没有被CPU处理，就赖在内存不走，而且它在短时间内也不会被处理（即「驻留性」）——是不是内存的利用率就被降低了呢？

之前谈到过，「交换」的思想在动态分区分配时，用于交换整个进程——即「交换技术」
而现在，我们可以进一步继承「交换」的思想，用于交换段/页——即「虚拟技术」
 

是不是说，虚拟技术的实现必须建立在离散分配的内存管理方式的基础上呢？

答案是肯定的。虚拟存储（请求分页、请求分段、请求段页式）就是在传统存储（基本分页、基本分段、基本段页式）的基础上加了两个功能而已：

• 请求调页功能：当访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需的信息从外存调入内存
• 页面置换功能：当内存不够时，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存

通俗的说，通过这种内存与外存的调入调出，使得留在内存中的都是“短时间内用得到的”，调到外存的都是“短时间内用不到的”——因此，内存利用率得到了提高。
 

不仅如此，我们之所以称其为「虚拟」，还是因为OS通过这种调入调出的手法，使得「用户所感受到的逻辑上的对应物」，是远远远远大于「真实存在的物理实体」的；

虚拟存储器的容量是多大呢？是主存+外存，但也不是。甚至从理论上讲，虚拟内存与实际容量已经不再有必然的联系——32位的计算机，理论虚拟存储容量是2^32B；只是在物理层面无法达到罢了。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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