存储管理
早期计算机编程并不需要过多的存储管理
随着计算机和程序越来越复杂，存储管理成为必要
在存储管理中分为连续存储和非连续存储，非连续存储又分为分页存储、分段存储和段页式存储。
存储管理的目的：
确保计算机有足够的内存处理数据
确保程序可以从可用内存中获取一部分内存使用
确保程序可以归还使用后的内存以供其他程序使用
内存分配与回收
内存分配的过程
单一连续分配：
把内存分为系统区（被系统所使用）和用户区
内存空间被划分为若干固定大小的区域，每个分区只提供给一个程序使用，互不干扰
支持多道程序的最简单存储分配方式
根据进程实际需要，动态分配内存空间
相关数据结构（计算机存储、组织数据的方式）：
（1）动态分区空闲表数据结构
存储使用情况，是否被使用，是否容量足够
把所有的空闲节点首尾相连，形成一个双向链表
可以把连续的空闲区合并为一个节点来减少节点数量
动态分区相关分配算法：
首次适应算法(FF算法)：
主要使用空闲链数据结构，从头部节点开始适配，直到找到容量大小能够满足需求的空闲区
每次从头部开始，使得头部地址空间不断被划分，若头部都已被分配，就需要查找十分靠后的节点才能找到合适的内存
为了改进这种情况，出现了循环适应算法，每次都从上一次检索结束的位置开始查找。
最佳适应算法(BF算法)：
最佳适应算法要求空闲区链表按照容量大小排序，
遍历空闲区链表找到最佳合适空闲区，从小到大的遍历，可以减少碎片的产生，避免大材小用。
快速适应算法(QF算法)：
快速适应算法要求有多个空闲区链表
每个空闲区链表存储一种容量的空闲区，效率比BF算法更高，可以快速找到适合的内存区域。
内存回收的过程
针对四种不同的情况，有四种回收的方式。
情况① 情况② 情况③ 情况④
情况①：
不需要新建空闲链表节点
只需要把空闲区1的容量增大为空闲区即可
将回收区与空闲区合并
新的空闲区使用回收区的地址
将空闲区1、空闲区2和回收区合并
新的空闲区使用空闲区1的地址
为回收区创建新的空闲节点
插入到相应的空闲区链表中去
段页式存储管理
操作系统管理进程的空间，一般进程的空间在没映射到物理内存时，是在虚拟内存既是辅存中的。
页式存储管理
管理过程：
将进程逻辑空间等分成若干大小的页面，相应的把物理内存空间分成与页面大小的物理块
以页面为单位把进程空间装进物理内存中分散的物理块，把进程空间中的每个逻辑页面放到内存中的物理块里去
内存碎片：
进程空间中页面大小小于物理内存空闲区的大小，造成存在一段无法使用也无法回收的内存区域。
页面大小应该适中，过大难以分配，过小内存碎片过，多页面大小通常是512B~8K。
记录进程逻辑空间与物理空间的映射的表，因为进程的逻辑空间分为的页
面分散在主存不同的分散的物理块中，所以需要页表来记录。
页表中有多少个页面就有多少个页表项。
逻辑地址结构：
由页号P和页内偏移量W(页内地址)两部分组成
相关公式：
逻辑地址A = 逻辑地址的页号P * 页面大小L + 偏移量W（“页内地址”又叫“页内偏移”）
物理地址A = 某程序指定页的块号B * 页面大小L + 偏移量W
偏移量W = 逻辑地址A - 页号P * 页面大小L = 逻辑地址A %（mod） 页面大小L
已知逻辑地址求物理地址：
第一步 : 逻辑地址A / 页面大小L = 逻辑地址的页号P （整除）（商）
第二步 : 逻辑地址A %(mod) 页面大小L = 逻辑地址的页内偏移量W（取余）
第三步 : 生成页表，找出逻辑地址的页面所对应的页框号，一一对应，页号对应块号，从小到大排序。
在实际中，由于虚拟内存一般都会大于实际的内存，所以页面的数量一般会大于或等于字块的数量。
如：
第四步：求出 物理地址 = 某程序指定页的块号 * 页面大小 + 偏移量W
多级页表：
为了解决页表过于占用内存空间而出现的，由于现代计算机内存较大，可以存在非常多的页面，则页表项会十分的庞
大，一个32位的系统，若规定页面为4KB，则会有2^20个页表项，若每个页表项占用1byte，每个进程仅仅页表就要占
用1M的内存空间，而且每个页表都将会有所有的页表项来对物理内存空间进行映射。
如果是在64位地址的计算机的情况下，如果按照相同的计算方法，一个进程的页表占用的空间一个普通内存根本放不下。
关键是，一个进程，真的会需要一整个虚拟地址空间去存放吗？
解决问题的核心在于，避免把全部页表一直保存在内存中是多级页表的关键所在。特别是那些不需要的页表就不应该保留。
https://blog.csdn.net/forDreamYue/article/details/78887035 多级页表就比一级页表要省空间？
工作原理：
根页表中，每个字块所指向的地址为内存中的一片空间，这一片空间存储的是二级的页表，假设每个
二级页表有1024项，每一项指向的字块才是内存实际使用的内存。每个根页表可以指向多个二级页表。
通过一个顶级页表为真正有用的页表提供索引。
段式存储管理
可以解决也是存储管理中的有一段连续的逻辑分布在多个页面中，在使用时将会大大降低执行效率的问题
与页式存储管理的异同：
段式存储和页式存储都离散地管理了进程的逻辑空间
页是物理单位，段是逻辑单位；
分页是为了合理利用空间，分段是满足用户要求
页大小由硬件固定，段长度可动态变化
页表信息是一维（字块号）的，段表信息是二维（基址和段长）的
实现：
将进程逻辑空间划分成若干段（非等分）
段的长度由连续逻辑的长度决定，如：主函数MAIN、子程序段X、子函数Y等
段表：
段页式存储管理
分页可以有效提高内存利用率（虽然说存在页内碎片）；
分段可以更好满足用户需求，逻辑是用户写的；
两者结合，形成段页式存储管理。
实现：
先将逻辑空间按段式管理分成若干段
再把段内空间按页式管理等分成若干
虚拟内存
虚拟内存实际是对物理内存的补充，速度接近于内存，成本接近于辅存。
程序的局部性原理：局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个
较小的连续区域中；
根据此原理，程序运行时，无需全部装入内存，装载部分即可，如果访问页不在内存，则发出缺页中断，发起页面置换
从用户层面看，程序拥有很大的空间，即是虚拟内存。
使用虚拟内存的背景：
① 有些进程实际需要的内存很大，超过物理内存的容量；多道程序设计，使得每个进程可用物理内存更加稀缺
不可能无限增加物理内存，物理内存总有不够的时候。
② 虚拟内存是操作系统内存管理的关键技术；使得多道程序运行和大程序运行成为现实；把程序使用内存划分，
可以将部分暂时不使用的内存放置在辅存，只需把要使用的（红色）加载到物理内存中，
如下：
虚拟内存的置换算法
替换策略发生在Cache-主存层次、主存-辅存层次
Cache-主存层次的替换策略主要是为了解决速度问题
主存-辅存层次主要是为了解决容量问题，一般虚拟内存的置换指的是这个层次。
主存页面的替换时机：
高速缓存的替换时机：
Linux的存储管理
内存碎片：
页内碎片：
内部碎片是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）的内存空间大于请求所需的内存空间，不能被利用的
内存空间就是内部碎片。 空闲区容量大于页面大小，则造成业内碎片。
页外碎片：
外部碎片是指还没有分配出去（不属于任何进程），但是由于大小而无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲块。
操作系统在不断分配空闲区，会根据进程的需要来分配不同的内存空间给进程使用，会造成一些较小的空闲区由于过小而
无法被继续分配，造成页外碎片。
Buddy（伙伴）内存管理算法
Buddy算法是经典的内存管理算法，一种实际在内存中运行的一种内存管理算法,
基于计算机处理二进制的优势具有极高的效率，主要是为了解决内存外碎片的问题，
可以把内存外碎片问题转变为内存内碎片问题，把内存按2的幂次方大小来分配，可以避免出现内存外碎片。
目的是努力让内存分配和相邻内存合并能快速进行。
伙伴系统：
“伙伴”指的是内存的“伙伴”；
一片连续内存的“伙伴”是相邻的另一片大小一样的连续内存。
Buddy实现：
Buddy内存分配原则：
在每次分配内存时，都是默认向上取整为2的幂的大小
如：
70k→128k
129k→256k
666k→1024k
实现过程：
创建一系列空闲块链表，每一种都是2的幂，如容量大小为2^1=1的为一条双向链表，2^2、2^3 ... 以此类推。
例子：
假设存储空间有1M大小（为1M的空闲链表中有一个节点），按Buddy算法分配100k内存，这组空闲链中情形如下图：
1. 100k向上取2的幂=128k
2. 查询是否存在大小为128k的空闲内存块（看看表示128KB空闲区的链表上有没有节点）？
3. 没有！查询是否有256k空闲内存块？
4. 没有！查询是否有512k空闲内存块？
5. 没有！查询是否有1M空闲内存块？
6. 有，摘下1M空闲内存块，分配出去
7. 拆下512k放在512k的空闲链表（由1M=2^10降幂1，得512KB *2，未得到所需的128KB），其余的分配出去
8. 拆下256k放在256k的空闲链表，其余的分配出去
9. 拆下128k放在128k的空闲链表，其余的分配出去
10. 分配完毕（最小只能分配给128KB大小的空闲区，若无则分配更大的空闲区供使用）
Linux交换空间
交换空间(Swap)是磁盘的一个分区， Linux物理内存满时，会把一些内存交换至Swap空间，但是交换空间在磁盘，速度较慢。
Swap空间是初始化系统时配置的。
冷启动内存依赖，很多大型的应用程序，在启动时需要使用大量的内存，但是这些内存在启动后就很少会被使用，可把
这部分置换到交换空间里，以释放更多的物理内存给系统使用。
系统睡眠依赖，当linux需要睡眠时，会把内存中所有的数据保存到swap空间里，下次启动时才重新加载到内存中，这样
可以加快系统的启动速度。
大进程空间依赖，对于一个应用确实需要使用十分大的物理内存空间，当物理内存不足时，把进程需要使用的内容暂时保存
到swap交换空间中。
与虚拟内存对比：
