内存管理

核心问题只有一个：如何在有限、异构、昂贵的物理存储资源之上，构造一个安全、可扩展、对程序友好的逻辑地址世界。

一、问题起点：物理内存的客观约束

1.1 分层存储器体系（Memory Hierarchy）

物理现实：

结论：

内存管理的本质，是在分层存储器体系之上进行数据放置与迁移决策。

1.2 存储管理器的职责

操作系统中负责内存的核心子系统，其职责不是“分配内存”，而是：

二、第一阶段：无存储器抽象（Bare Machine Model）

2.1 直接暴露物理地址的问题

在无抽象模型下：

导致两个根本性缺陷：

  1. **无法隔离**：安全性不可控
  2. **无法并发**：多道程序设计几乎不可实现

2.2 静态重定位的历史方案

如 IBM 360：

关键认知：

这不是“抽象”，只是一次性地址修正。

三、核心抽象的诞生：地址空间（Address Space）

3.1 地址空间的本质定义

地址空间 = 一组逻辑地址的有序集合

关键不是“地址”，而是：

这与编程语言中的作用域 / 命名空间是同一类抽象。

3.2 抽象带来的两个核心能力

运行多个程序而互不干扰，必须解决：

  1. **保护（Protection）**：禁止非法访问
  2. **重定位（Relocation）**：地址可移动

3.3 基址 / 界限寄存器模型

认知层结论：

这是最小可用的地址空间实现，但扩展性极差。

四、资源压力的应对：交换与连续内存管理

4.1 局部性原理（Locality）

程序行为呈现：

这是虚拟内存一切机制的理论基础。

4.2 交换（Swapping）的思想

问题：

4.3 连续内存的空闲管理

两类本质模型：

所有“首次 / 最佳 / 最差 / 快速适配”算法，本质上都是：

在碎片率与搜索成本之间取舍

五、质变点：虚拟内存（Virtual Memory）

5.1 抽象升级

地址空间 ≠ 物理内存大小

虚拟内存将地址空间切分为页（Page）：

5.2 页、页框与映射

访问不存在映射的页 → 缺页中断

六、地址转换体系：MMU + 页表 + TLB

6.1 MMU 的角色定位

MMU 不是“操作系统组件”，而是：

硬件执行抽象的载体

职责：

6.2 页表的逻辑模型

每个页表项（PTE）至少包含：

6.3 TLB：缓存加速抽象

TLB 的本质：

地址转换结果的高速缓存

它将一次可能需要多次内存访问的操作，压缩为一次硬件并行匹配。

七、规模问题：大地址空间的页表设计

7.1 多级页表

7.2 倒排页表

统一认知：

页表设计的本质是：稀疏映射的压缩表达。

八、多进程语义：共享、隔离与保护

8.1 虚拟内存的进程视角

8.2 共享的工程价值

8.3 内存保护模型

权限控制并不作用于“物理内存”，而是：

作用于地址空间到物理页的映射关系

九、缓存淘汰的统一模型：页面置换算法

9.1 统一抽象

页面置换 ≈ 缓存淘汰

9.2 算法谱系

核心权衡：

十、系统稳定性问题：颠簸与负载控制

目标只有一个：

防止系统进入自激振荡（Thrashing）

十一、分段、分页与历史融合

11.1 分段的动机

11.2 分页的动机

11.3 段页式模型

结论：

分段解决“语义”，分页解决“规模”。

十二、进程内存布局与系统调用接口

现代内存管理已高度依赖 mmap 作为统一抽象接口。

十三、用户态分配器：再一次抽象

13.1 malloc 的真实职责

malloc 并不管理“内存”，而是：

管理一段虚拟地址区间的子分配

13.2 分配器的核心设计问题

所有实现（ptmalloc / jemalloc / tcmalloc）都是在这组问题上的不同取舍。

十四、异常与中断：抽象失效的处理路径

14.1 页异常类型

14.2 缺页中断处理流程

十五、虚拟化场景下的内存管理

结论：

虚拟化并没有引入新问题，只是把“地址转换”堆叠了一层。

十六、常见内存错误的抽象视角

所有内存错误，本质都源于：

程序假设的地址语义，与系统维护的真实映射不一致。

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