3.内存管理

3.1说说什么是虚拟内存？

单片机是没有操作系统的，所以每次写完代码，都需要借助工具把程序烧录进去，这样程序才能跑起来。另外，单片机的CPU是直接操作内存的【物理地址】。在这种情况下，要想在内存中同时运行两个程序是不可能的。如果第一个程序在2000的位置写入一个新的值，将会擦掉第二个程序放在相同位置上的所有内容，所以同时运行两个程序是根本行不通的，这个程序会立刻崩溃。

【操作系统是如何在内存中运行多个程序的？】
操作系统为每个进程分配一套独立的【虚拟地址】，每个进程都玩自己的，互不干涉，并且每个进程都不能访问物理地址，至于虚拟地址最终是怎么落在物理内存上的，对进程来说是透明的，操作系统把这些都安排了。
操作系统提供了一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来，如果程序要访问虚拟地址，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不用冲突了。所以这就引出了两种地址的概念：

1. 虚拟内存地址：我们程序所使用的内存地址；
2. 物理内存地址：实际存在硬件里面的空间地址；

操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过CPU芯片中的内存管理单元(MMU)的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存；

3.2说说什么是内存分段?

程序由若干个逻辑分段组成，比如可以分成代码段、数据段、栈段、堆段之类的。不同的段有不同的属性，用分段的形式把这些端分离出来。虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的，分段机制会把程序的虚拟地址分成4个段，每个段在段表中有一个项，在这一项找到段的基地址，再加上偏移量，就能找到物理内存中的地址。

分段机制虽然好，但是也有一些不足之处：
（1）内存碎片的问题；
（2）内存交换的效率低的问题；
【分段为什么会产生内存碎片的问题？】
举个例子，假设有1G的物理内存，用户执行了多个程序，其中：游戏占用了512MB内存、浏览器占用了128MB、音乐占用了256MB内存。这个时候，如果我们关闭了浏览器，空闲内存还剩下1024-512-256=256MB内存，如果这个256MB不是连续的，被分成了两段128MB内存，就会导致没有空间再打开一个200MB的程序。

外部内存碎片：产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载进内存；
内部内存碎片：程序所有的内存都被装载到了物理内存，但是这个程序有部分内容可能并不常使用，导致内存的浪费；
【内存碎片的解决方式】
解决外部内存碎片的问题就是内存交换。我们可以把分割成两段的128MB内存写到硬盘上，然后再从硬盘读回到内存中。形成一片连续的内存空间，在Linux系统中，swap分区是从硬盘划分出来的，它就是用于内存和硬盘的空间交换。
【为什么分段会导致内存交换效率低？】
对于多进程的系统来说，用分段的方式是很容易产生内存碎片的，产生了内存碎片那就必须使用swap的方式来进行空间交换，这个过程是会产生性能瓶颈的。因为硬盘的访问速度比内存慢太多了，而且如果交换的是一个占用内存很大的程序，我们就需要把一大段内存数据写到硬盘上，然后再从硬盘上读回内存。

3.3说说什么是内存分页？

分段的好处是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题。要解决这个问题，就要尽可能少出现一些内存碎片，另外如果需要进行内存交换，需要让写入磁盘、装载内存的数据更少一点。内存分页就能解决这个问题。
分页是把整个虚拟内存和物理内存切成一段段固定尺寸的大小，连续并且尺寸固定的内存空间就是一页，在Linux系统下，是4KB。

页表是存在内存里的，内存管理单元(MMU)负责虚拟内存地址转换成物理地址的工作。当进程访问的虚拟地址在页表中不存在的时候，系统会产生一个缺页异常，这时由用户态切换到内核态，内核分配物理内存、更新进程页表、最后再切换成用户态恢复进程的运行。
【分页是怎么解决分段的内存碎片、内存交换效率低的问题的？】
采用了分页后，释放的内存都是以页为单位的，不会产生无法给进程使用的小内存。如果用户空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的【最久未使用】的内存页面给释放掉，暂时写在硬盘上。一旦需要的时候，再加载进来。所有，一次性写入磁盘只有少数几个页，不会花太长时间，内存交换的效率比较高。

另外，分页的方式使我们在加载程序的时候，不再需要一次性都把程序加载到物理内存中。而是在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存中去。
【分页机制下，虚拟地址与物理地址的映射】

（1）虚拟机制切分成页号和页内偏移量；
（2）根据页号，从页表里查询对应的物理页号；
（3）直接拿物理页面，加上前面的偏移量， 就得到了物理内存地址。
【简单的分页的缺陷】
操作系统支持同时运行多个进程，那这样页表会非常庞大。假设有100个进程，每个页表项会占用4字节的大小，每页是4KB，大约能存下100万个页，每个进程分摊10000个页，一个进程需要用4*10000字节的内存来维护该进程的页表，有100个进程的话整个页表需要占用400MB内存来维护。
【多级页表】
把一级页表分为1024个二级页表，每个二级页表包含1024个页表项，形成二级分页。

【局部性原理】
如果使用了二级分页，一级页表就可以覆盖整个4GB虚拟地址空间，但如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，就是可以在需要的时候才创建二级页表。
从页表的性能来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表需要有100多万个页表项来映射，而二级分页的话只需要1024个页表项来映射。
【64位操作系统的多级页表】

多级页表虽然解决了空间上的问题，但是虚拟地址到物理地址的转换多了几道转换的工序，这显然就降低了地址转换的速度，带来时间上的开销。在CPU芯片中，加入了一个专门存放程序最常访问的页表项Cache，这个Cache就是TLB，通常称为页表缓存。
在CPU芯片里面，封装了内存管理单元芯片，它用来完成地址转换和TLB的访问与交互。有了TLB后，在CPU寻址时，会先查TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。TLB的命中率其实是很高的，因为程序最常访问的页就那么几个。

3.4说说什么是段页式内存管理？

内存分段和内存分页并不是对立的，它们是可以组合起来在同一个系统中使用的，组合起来的管理方式称为段页式内存管理。

（1）先将程序划分为多个具有逻辑意义的段；
（2）接着再把每个段划分为固定大小的页；
地址结构由段号、段页号和页内偏移量三部分组成；

用于段页式地址变换的数据结构是每个进程一张段表，每个段又建立一张页表，段表的地址是页表的起始地址，页表的地址是某页的物理地址；
【段页式的地址变换】
（1）第一次访问段表，得到页表的起始地址；
（2）第二次访问页表，得到物理页号；
（3）将物理页号和页内偏移组合起来，得到物理地址；