【操作系统】 存储管理

    关于计算机的存储管理，大体上其实就是如何分配内存的问题。我们都知道我们的程序是存放在硬盘里的，而运行程序是需要把程序读到内存里，然后CPU才可以处理程序。在这里，CPU和内存是直接交流的，硬盘和CPU是无法交流的，硬盘那就是个存东西的地。流程就是
硬盘→内存→CPU。

    举个简单的例子，如果我们下载了一个5G大小的游戏，然后把游戏安装在了D盘了。那么我们打开游戏开始运行的时候，电脑是如何操作的呢？第一步把游戏的数据读到（复制到）内存里，然后CPU处理内存中这个程序的数据，然后游戏，开始。

1.程序是怎么放进内存的？——重定位，我们来重新排排座

    内存作为一个看得见摸得着的东西，它的每一个存储单元都是有实际的物理地址的。这里可以把内存上每一个单元的内存都看做一个小房间，每个房间都有它的唯一门牌号。

    但是我们写程序的时候，可是不知道到时候内存的哪里是空着可以使用的，我们最后究竟会放在哪里？所以我们的程序拥有的只是逻辑上的地址，而并不是真实的物理地址。要想要程序正常运行，我们必须把所有的逻辑地址转换为他们真实存在内存上的物理地址，否则，程序连他自己的数据都找不到那还怎么运行。

    如果我们写了一段4k的程序，它的逻辑地址可能是1-4000，但是物理地址那就没准了，可能是1001-5000（前面的被其它程序占了），我们要找到具体的数据，必须要从1001-5000里面找。举个例子，如果内存是房间，一个个旅游队是程序的话，他们可能在出发前就有各自的序号，但是住进具体的房间后，就不能按照原来的序号了，要想找到具体的人，那得按现在重排的房间号来找，这里的房间号就是具体的物理地址。

静态重定位：把作业中的指令地址和数据地址全部转换成绝对地址。

   例：如果旅行队有100人，一次性的把连续的100个房间分给他们，比如房间101—200

动态重定位：设置基址寄存器，指令执行的过程中通过地址转化机动态的转化地址。

   例：还是那100人，分两次来，第一波的基址是101，则他们房间动态分配为101—150，第二波的基址是301，则他们的房间动态分配为301—350

2.内存如何划分之第一阶段——固定分区，以不变应万变

    固定分区管理就是：把主存储器中可分配的用户区域预先划分成若干个连续区，每一个连续区称为一个分区

    现在我们可以知道装入内存的作业都是大小不一的连续程序段，所以最开始的内存就是提前分配好大小不一的分区，以便各种程序可以直接装入内存，方便他们的重定位。

    这样设计的原因很淳朴，就像我们刚管理一个宾馆，面对一个个不同大小的旅游队，他们各自都要求连续的房间，所有我们会天然的把自己的房间分成一组组大小不一的房间组，方便旅游队挑选合适的套餐。

    但是暴露出来的问题就是：内存资源的浪费（因为不可能正好合适，每个分区肯定都用不完）

3.内存如何划分之第二阶段——可变分区，以变制变

    可变分区：分区的长度不是预先固定的，而是按作业的实际需求来划分的；分区的个数也不是预先确定的，而是由装入的作业数决定的。

    由于固定分区造成资源的浪费，那就进行可变分区，你要多少内存我就给你多少内存。

    按照刚才的那个例子，如果我们管理这1000房间，那么就根据每个旅游队的人数具体给他们分配不同数量的连续房间。但是又出问题了，如果是100人，200人，300人按顺序入住之后，200人退出之后，房间按理说剩下600间，但是如果有个500人的队伍是进不去的，因为此时房间的状态是 100、200（空）、300、400（空），没有500的连续房间，如果后面有更小的队伍，会不断的插入连续区，随着各个队伍的进入，整个房间一直处于各种切断的状态，也就是没有完整的连续区。

    这时候，就引入了最先适应分配算法、最优适应分配算法、最坏适应分配算法来解决，同时也用移动技术来集中分散的空闲区，这里很像磁盘中的碎片清理，通过移动那些空闲区集中起来就可以得到完整的连续区。

    但是这样也会造成系统的开销，同时移动也是有条件的，不是什么都能移的。

4.内存如何划分之第三阶段——页式虚拟，分批发放

    分页式存储管理：把主存储器分成大小相等的许多区，每个区称为一块。与此对应，编制程序的逻辑地址也分成页，页的大小与块的大小相等。

    通过分页存储管理，就可以解决可变分区必须通过移动来得到连续分区的困境，同时也可以有效的解决固定分区造成的浪费。

    还是刚才的例子，如果我们继续分1000个房间的话，我们将房间分为10间为一组（一层也可以），所以可以划分100层，也就是10³=10²X10¹。类比于分页就是分了100页，每页10个地址。那么同时旅游队也是按照10人一组编组，有几组就分几层。只要我们知道自己对应的层数就可以完整的获得所有的队员，同理，只要我们知道程序对于的所有页数，就可以知道程序所有的地址。

    每次的划分，我们只需要提供足量的页数，标明每一页具体对应的内存区，以及每一页对应的程序段，就可以完成内存分配。这样我们可以不用分配连续的页数，不用移动技术来浪费开销，也可以很好降低浪费。

总结：

    

    回顾一下刚才的例子，1000个房间，120人，220人，320人相继进入，220人退出后400人想要进入。

    固定分区分为100,200,300,400，结局是：100（空），200（存120），300（存220），400（存320），后果是资源浪费；

    可变分区处理完220退出后，结局是：120（存120）,220（空），320（存320）,320（空），即使现在共空余540，但是400还是进不去，只有通过移动技术才可以解决；

    分页存储管理，都以10为单位，处理完220退出后是：120（分12页）,220（空22页），320（分32页）,320（空32页），所以空54页，400人用其中40页就可以解决，只需要用一张表记录每一个小组对应的那一页就可以，不需要连续，完全可以分页运算找到具体的位置。

    可以看出，内存管理是不断进化的，既要效率同时也要避免浪费。

    在操作系统的这部分学习过程中，我们可以很好体会到硬件和软件的结合后产生的各种问题，通过各种天才般的处理让软件和硬件更好的结合，充分提高效率。