一个系统中的进程是与其他进程共享 CPU 和主存资源的。然而，共享主存会形成一些特殊的挑战。
虚拟内存提供了三个重要的能力：
- 它将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在主存之间来回传送数据，通过这种方式，它高效地使用了主存。
- 它为每个进程提供了一致的地址空间，从而简化了内存管理。
- 它保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
内存管理要干些啥？
内存空间的分配与回收
内存空间的扩充
- 覆盖技术
- 交换技术
- 虚拟存储
地址转换：逻辑 => 物理
存储保护：保证各进程只在自己的内存空间访问，不会越界
- 上下界寄存器
- 重定位寄存器 + 界地址寄存器
学习资源
LWN.net 上有一系列的 “What every programmer should know about memory” 文章你需要读一下。当然，你可以直接访问一个完整的 PDF 文档。下面是这个系列文章的网页版列表。读完这个列表的内容，你基本上就对内存有了一个比较好的知识体系了。
- Part 1: Introduction ，中译版为 “每个程序员都应该了解的内存知识【第一部分】”
- Part 2: CPU caches
- Part 3 (Virtual memory)
- Part 4 (NUMA systems)
- Part 5 (What programmers can do - cache optimization)
- Part 6 (What programmers can do - multi-threaded optimizations)
- Part 7 (Memory performance tools)
- Part 8 (Future technologies)
- Part 9 (Appendices and bibliography)
连续分配
分类：
- 单一连续：只支持单道程序，内存分为系统区和用户区
- 固定分区
- 动态分区：在程序被装入内存时，根据进程的大小动态调整分区
- 首次适应
- 最佳适应
- 最坏适应
- 邻近适应
缺点：
- 分配给一个程序的物理内存是连续的
- 内存利用率低
- 有内外碎片问题
非连续分配
优点：
- 一个程序的物理地址空间是非连续的
- 更好的内存利用和管理
- 允许共享代码与数据（共享库等）
- 支持动态加载和动态链接
缺点：
- 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换
- 软件方案
- 硬件方案
分段
段是信息的逻辑单位。
分段的目的是更好地满足用户需求。
一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息，更容易实现信息的共享和保护。
分段对用户是可见的，用户编程时需要显式给出段名。
段的大小不固定，取决于用户编写的程序（低级语言）。
程序text段
- 库
- 用户代码
程序数据段
运行栈
堆
段表：段号、段长、基址
分页
页是信息的物理单位。分页的目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。
分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户不可见。
页表
作用：记录进程中各个页与所占用内存块的关系，形成映射。
快表
多级页表
单页表遇到的问题：
- 页表必须连续存放，若页表项小，总的页表太占空间；页表项过大，内碎片影响大。
- 没有必要让所有页表常驻内存，进程在一段时间内可能只需要访问几个特定的页面。
实现对页表本身的虚拟存储。
注意：
- 各级页表的大小不能超过一个页面。若两级不够，可分成多级
- 多级页表访存次数（无快表） = 页表级数 + 1
段页
进程分段 =》段分页 =》内存分块
维护一个段表和若干个页表
虚拟内存
程序不需全部装入即可运行，运行时根据需要动态调入数据，若内存不够，还需换出一些数据。
请求调页
访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存
页表结构：内存块号 中断位P 访问位A 修改位M 外存地址
缺页中断与一般的 I/O 中断区别：
- 缺页中断是指令执行时中断，而普通的是两条指令执行之间。
- 缺页中断是运行状态，而普通的是阻塞态。
页面置换
内存空间不够时，将内存中暂时用不到的信息换出到外存，换出时注意清掉快表中的缓存。
理想置换算法要求：被换出的页面在以后的运行中不需要。
先进先出（FIFS）
往下挤。实现简单，性能差，可能出现 Belady 现象，即增加内存块后，缺页中断却增加。
最近最久未使用（LRU）
依然是往下挤，区别在于，一旦命中，提到栈顶。
最近最不常用（LFU）
记录访问次数，淘汰访问次数最小的，但这样实现太麻烦，所以直接在对应的内存块上计数。
最近未使用（NRU）
搞一个定时器，定期清除访问位。
二次机会（Second Chance）
一般来说不用管改进算法，只要 A
请求调页时，不算访问，之后的命中才算，而且从时间最久开始，遇到0就直接淘汰，遇1置0。
置换掉的页作为最新页放顶上，注意是按时钟旋转，而不是直接往下挤。
改进后的算法加了一个判断位——修改位M，减少了I/O，也降低了抖动现象。
页缓冲
内存管理
- 简化链接
- 简化加载
- 简化共享
- 简化内存分配
物理和虚拟寻址
计算机系统的主存被组织成一个由 M 个连续的字节大小的单元组成的数组。每个字节都有一个唯一的物理地址。
在物理地址与虚拟地址间加个地址翻译就构成了虚拟寻址。
地址空间
地址空间是一个非负整数地址的有序集合。
地址空间的概念是很重要的，因为它清楚地区分了数据对象（字节）和他们的属性（地址）。
缓存
内存成了对硬盘的缓存，虚拟页面可划分为未分配的、未缓存的和已缓存的。
地址翻译
逻辑地址到物理地址
内存映射
回到本章前言，“虚拟内存是强大的”。
- 你知道可以通过读写内存位置读或者修改一个磁盘文件的内容吗？
- 可以加载一个文件的内容到内存中，而不需要进行任何显示地复制吗？
将一个文件或其他对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程地址空间中一段虚拟地址的一一对应。
实现了这样的映射关系后，进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写脏页面到对应的文件磁盘上，即完成了对文件的操作而不必再调用 read、write 等系统调用函数。
相反，内核空间对这段区域的修改也直接反应用户空间，从而可以实现不同进程的文件共享。
简单总结，有如下特点：
- 提高数据的读、写和传输的时间性能
- 减少了数据拷贝次数
- 用户空间和内核空间的高效交互（通过映射区域直接交互）
- 用内存读写代替 I/O 读写
- 提高内存利用率：通过虚拟内存、共享对象
动态内存分配
为什么要动态分配内存？因为很多时候只有在运行时才知道某些数据结构的大小。
malloc 与 mmap、munmap 区别是什么？
分配器
这一部分可以借鉴操作系统为进程分配内存的操作。
垃圾收集
一个进程终止后，其占用的内存由操作系统来释放和重新分配。
进程存活时，释放掉不用的内存就得交给程序本身了，C / C++ 把这活交给了程序员，Java 这类的有自己的垃圾回收器。
回收器
C 中常见的内存错误
- 间接引用坏指针
- 读未初始化的内存
- 允许栈缓冲区溢出
- 假设指针和他们指向的对象是相同的大小
- 造成错位错误
- 引用指针，而不是它所指向的对象
- 误解指针运算
- 引用不存在的变量
- 引用空闲堆块中的数据
- 引起内存泄露