计算机操作系统23

第二十三课：内存管理基础

一、为什么需要内存管理？

我们先回到计算机最基本结构。

一个程序：

比如：

QQ.exe 浏览器.exe 游戏.exe

它们存放在哪里？

答案：

硬盘。

例如：

硬盘 ↓ 程序文件

但是：

CPU不能直接运行硬盘里的程序。

为什么？

因为：

硬盘速度太慢。

CPU速度：

非常快。

如果CPU每次执行：

都去硬盘找数据。

整个计算机：

会慢到无法使用。

所以：

程序运行时：

必须：

进入：

内存（Memory）

流程：

硬盘 ↓ 加载 ↓ 内存 ↓ CPU执行

二、什么是内存？

这里说的内存：

主要指：

主存（Main Memory）

也就是：

我们平时说的：

RAM。

例如：

电脑：

8GB内存。

16GB内存。

32GB内存。

内存：

可以理解为：

CPU旁边的工作桌。

举个例子：

你的房间：

仓库 = 硬盘 书桌 = 内存 你 = CPU

你学习：

不会：

每看一个字：

跑仓库拿书。

你会：

先：

把书放桌子。

然后：

直接看。

三、为什么需要管理？

问题来了。

假设：

你的电脑：

内存：

只有：

8GB

但是：

你同时打开：

浏览器：

3GB

游戏：

6GB

视频软件：

2GB

总共：

11GB

超过：

8GB。

怎么办？

操作系统：

必须：

管理内存。

包括：

1. 分配

谁：

使用：

哪一块内存。

2. 回收

程序关闭后：

释放：

内存。

3. 保护

一个程序：

不能：

随便：

访问：

另一个程序：

的数据。

4. 扩充

让程序：

感觉：

自己拥有：

更大的内存。

这就是：

虚拟内存。

四、程序如何进入内存？

我们先理解：

程序：

不是：

一整块搬进去。

例如：

一个程序：

结构：

程序 ├── 代码段 │ ├── 数据段 │ ├── 堆 │ └── 栈

运行时：

这些部分：

需要：

放入内存。

简单理解：

程序：

像一本书。

内存：

像书桌。

操作系统：

负责：

安排：

这本书：

怎么摆放。

五、地址是什么？

这是内存管理最核心概念。

CPU访问内存：

靠：

地址。

例如：

内存：

像酒店。

每个房间：

有编号。

1号房 2号房 3号房 4号房

这个编号：

就是：

地址。

计算机：

也是：

类似。

内存：

被划分：

很多存储单元。

每个单元：

有：

唯一编号。

例如：

1000 1001 1002 1003

CPU：

通过地址：

找到数据。

六、逻辑地址和物理地址（★★★★★）

这是内存管理第一个重点。

1. 物理地址（Physical Address）

什么意思？

真正：

在内存里的地址。

例如：

真实内存：

0x1000 0x1001 0x1002

这个：

叫：

物理地址。

2. 逻辑地址（Logical Address）

也叫：

虚拟地址。

是：

程序自己看到的地址。

例如：

程序A：

认为：

自己的数据：

在：

100号位置

程序B：

也认为：

自己的数据：

在：

100号位置

冲突吗？

不会。

为什么？

因为：

这是：

逻辑地址。

操作系统：

负责：

转换。

过程：

CPU产生逻辑地址 ↓ 地址转换 ↓ 真实物理地址 ↓ 访问内存

七、为什么需要逻辑地址？

如果：

没有逻辑地址。

程序：

直接使用：

物理地址。

会怎样？

假设：

程序A：

写：

100号地址。

程序B：

也写：

100号地址。

怎么办？

数据：

全部乱掉。

所以：

现代操作系统：

让每个程序：

拥有：

自己的地址空间。

八、什么是地址空间？

一个程序：

能看到的：

地址范围。

叫：

地址空间。

例如：

程序A：

看到：

0~9999

程序B：

也看到：

0~9999

但是：

实际：

对应：

不同：

物理位置。

例如：

程序A 逻辑100 ↓ 物理5000 程序B 逻辑100 ↓ 物理8000

两个程序：

互不影响。

九、内存管理的发展历史

操作系统：

一步一步：

发展。

第一阶段：单道程序

最简单。

内存：

一次：

只有：

一个程序。

例如：

内存： 系统 程序A

问题：

资源浪费。

第二阶段：固定分区

把内存：

提前：

切成：

几个区域。

例如：

内存 -------------- 系统 -------------- 区域1 -------------- 区域2 -------------- 区域3

每个程序：

占一个区域。

问题：

产生：

内部碎片。

第三阶段：动态分区

程序来了：

再分配。

例如：

程序A：

需要：

10MB。

就：

给：

10MB。

问题：

产生：

外部碎片。

第四阶段：

分页。

这是：

现代操作系统：

核心。

后面：

重点学习。

十、碎片是什么？

考试：

常考。

内部碎片

什么意思？

分给你的空间：

比你需要的大。

多出来：

浪费。

例子：

一个盒子：

10厘米。

你只有：

7厘米东西。

剩余：

3厘米：

无法利用。

这叫：

内部碎片。

外部碎片

什么意思？

空闲空间：

很多。

但是：

不连续。

无法使用。

例如：

内存：

已用 空 已用 空 已用 空

虽然：

总空闲：

很多。

但是：

没有：

连续大空间。

十一、本课核心总结

今天先掌握：

1. 为什么需要内存管理？

因为：

• 程序需要进入内存运行。
• 多程序同时运行需要协调。
• 防止程序互相影响。

2. 两种地址

关系：

逻辑地址 ↓ 地址转换 ↓ 物理地址

3. 内存管理任务

四个：

分配 回收 保护 扩充

4. 两种碎片