一、计算机体系结构及内存分层体系
1、计算机体系结构/内存分层体系
CPU：对程序的执行的控制
内存：放置程序的代码和数据
外设：键盘、鼠标、显示器等，完成各种功能。
2、内存的层次结构
内存的层次结构研究的是，CPU能够访问的指令和数据所处的位置。
从上到下：
寄存器、cache，都位于CPU内部，CPU直接访问，操作系统不能对其进行直接管理，但速度很快，容量很少。
主存（物理内存）放置操作系统本身和运行的代码和数据。容量比cache和寄存器大，速度慢些。
磁盘：内存有时候不够大，需要把一些数据放在磁盘里（虚拟内存），并且把一些需要永久保存的数据（断电后也能保存下来）放在磁盘里。
3、操作系统在管理内存的时候的目标
（1）抽象
希望应用程序在运行中不需要考虑一些物理细节，只需访问一个连续的地址空间，我们称之为逻辑地址空间。
（2）保护
多个应用程序可能会因为某些原因去访问其他进程的空间，会破坏其他进程的空间。因此需要一个有效的机制去对他们的各自空间进行隔离、保护。
（3）共享
进程之间可能需要交互，通过提供共享空间，让进程之间可以安全、可靠、有效地进行数据的传递。
（4）虚拟化
当内存不够的时候，为了让应用程序有足够空间运行，把最需要放在内存的数据放在内存中，暂时不需要的数据可以临时放在硬盘上，通过这个方法可以实现一个大的内存，这个过程对应用程序是透明的，程序看到的都是逻辑地址空间。
4、内存管理的不同方法
程序重定位、分段、分页、虚拟内存、按需分页虚拟内存。操作系统是个软件，它内存管理的实现高度依赖于硬件，比如MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求。
二、地址空间与地址生成
1、地址空间的定义
两种地址空间：
物理地址空间，和硬件直接对应，如内存条所代表的主存，和硬盘。物理空间的管理由硬件完成。
逻辑地址空间，一个运行的程序能看到的地址空间，是个一维的线性的地址空间。
我们需要理解这两个地址空间是如何对应的。因为任何地址空间，最终都是落实在物理地址空间中的。
2、地址空间是如何生成的
逻辑地址生成，以C代码程序为例：
首先，将代码编译，成为汇编程序。在C代码中，程序，变量的地址其实就是逻辑地址。
汇编语言很多变量还是通过变量名来表示的。通过汇编器转化为机器语言（.o文件），机器语言中，起始地址都是从0开始，并且变量名和函数名都被转化为地址。
Linker将多个.o程序链接为单个可执行的程序（.exe），存放在硬盘中。这个程序的地址已经是全局的分布了，不同的.o程序中变量的地址都已经在单一的程序中有相应的定义。
Loader将硬盘中的可执行程序放在内存中的相应位置，此时将逻辑地址进行相应的分配，使得应用程序在内存中可以正常运行。程序在内存中存在一个偏移量，可以通过偏移量和逻辑地址，可以对程序进行正确的访问和指令的操作。
上面那些转化过程基本不需要操作系统的介入，只需编译器、linker、loader的配合即可完成。
逻辑地址如何映射到物理地址？
CPU中有个MMU，MMU完成从逻辑地址到物理地址的映射（上图中蓝色块）。
流程：
（1）当CPU要执行指令时，ALU向MMU发出请求，带有逻辑地址；
（2）MMU查找逻辑地址的映射表中是否存在对应的物理地址。如果没有，在内存中找
如果找到了，CPU的控制器对主存发出请求。
（3）主存把内容通过指令传给CPU，CPU拿到指令的内容后开始执行。
操作系统在这期间的角色是，在执行指令之前，要把映射表建立好。
3、地址安全检查
如何保证放在内存的程序相互之间不能干扰？
要确保每个程序访问的地址空间是合法的，在一定的范围内：
三、连续内存分配
1、内存碎片问题
一些无法被利用的空闲空间。分两种：外部碎片和内部碎片。
2、如何分配连续内存空间
简单的内存管理方法：当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的空间。三个简单的分配策略：首次适配、最优适配和最差适配。
（1）首次适配
为了分配n字节，从低地址到高地址，使用第一个能够满足的空闲块。
基本原理和实现：
按地址排序的空闲块列表；
分配需要寻找一个合适的区间；
重分配的时候需要进行检查，看是否有空闲分区是能够跟相邻的空闲分区合并的（这样就能合并成一个更大的空闲块）。
优势：
简单、易于产生更大的空闲块。
劣势：存在外部碎片，而且容易不停地加剧。
（2）最优适配算法
寻找所有空闲块中"最适合"的空闲块。什么是最适合的呢，就是比需要的空间大的而且最接近需要的空间的空闲块。比如在下图的情况中，不会去选1K字节和2K字节的空间，而是去选最下面的500字节的空间。
基本原理和实现：
为了避免分割大的空闲块，为了最小化外部碎片产生的尺寸。
需求：
按尺寸排列的空闲块列表；
分配需要寻找一个合适的分区；
重分配的时候需要搜索和合并相邻的空闲分区。
优势：
当大部分分配是小尺寸的时候非常有效，比较简单。
劣势：
同样无法克服外部碎片。重分配慢（因为空闲块列表是按照大小排列，而不是按照地址排列）。容易产生很多没用的微小碎片。
（3）最差适配
寻找大于需要空间的最大的空闲块。
基本原理和实现：
需求：
按尺寸排列的空闲块列表
分配速度很快（获得最大的分区）
重分配需要合并相邻的空间分区。
优势：
分配的是中等尺寸效果最好
劣势：
重分配慢。外部碎片易于破碎打得空间块，以致大分区无法被分配。
3、碎片整理
（1）压缩式碎片整理
重置程序的地址以合并孔洞。
要求所有程序是动态可重置的。
要考虑的问题：
何时进行重置？
不能在程序运行的时候重置。
重置的开销。
（2）交换式碎片整理
当运行中程序需要更多内存的时候，比如下图中的P3，当P1，P2，P3已经把所有内存空间占据的时候，可以把某个正在等待的程序（如P4）放在磁盘中，在内存中腾出空间给P3。当P4需要执行的时候，再把P4从硬盘拷贝到内存中。
问题1：交换哪些程序？
问题2：什么时候进行交换？磁盘的访问速度较慢，如果交换的那个程序较大，那时间开销也是比较可观的。
上面这两个问题，在虚拟内存空间管理中会进一步讨论。