------ 小dora 操作系统学习笔记 Vol.6· 内存管理篇
"dora：为啥我明明有 16GB 内存，程序一运行就报内存不足？"
操作系统无奈一笑： "不是谁都能随便住进我这高级小区。"
🏠 一、内存：程序运行的"别墅区"
我们平时跑一个程序，其实就是在系统内存中分配一块「地皮」，这个过程叫：
内存分配（Memory Allocation）
从操作系统的角度，每一块内存都必须：
- 合理分区，避免冲突
- 控制权限，防止串门
- 高效利用，节约资源
📌 巧记口诀：
"内存是金地，进程是住户。住哪、住多大，全靠系统批地。"
📐 二、进程的内存布局：五大区块
每个用户进程在内存中，拥有独立的虚拟地址空间，通常被分为：
diff
+-------------------------+ ← 高地址
| 栈区 Stack |
| 函数调用临时变量 |
+-------------------------+
| 空闲/保护区 |
+-------------------------+
| 堆区 Heap |
| 动态分配变量 |
+-------------------------+
| 数据段 Data Segment |
| 全局变量 / 静态变量 |
+-------------------------+
| 代码段 Text Segment |
| 可执行指令 |
+-------------------------+ ← 低地址📌 巧记口诀：
"代码写死，数据靠编，堆向上长，栈向下砍。"
🛠 三、内存分配算法：系统是怎么批地的？
操作系统为了给多个进程合理分配内存，有以下经典分配策略：
1. 首次适应（First Fit）
- 找到第一个能装下内存块的位置就塞
- 简单快速，但容易碎片化
2. 最佳适应（Best Fit）
- 找最接近请求大小的空闲块
- 节省空间，但可能效率低
3. 最差适应（Worst Fit）
- 找最大的空闲块分一部分给你
- 留大块防碎片，但容易浪费
📌 面试记忆口诀：
"首次好找，最佳省地，最差保留大地基。"
🧩 四、内存碎片：空间不是不够，是用得不均
内存碎片分两种：
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| 外部碎片 | 空间足够但不连续 |
| 内部碎片 | 实际分配大于所需，造成浪费 |
系统通常会通过：
- 紧凑（Compaction）
- 分页（Paging）
- 分段（Segmentation）
来缓解碎片问题。
🧱 五、分页机制：把内存切成小砖块
分页是现代操作系统的核心管理机制，它把虚拟地址分为：
页号（Page Number） + 页内偏移量（Offset）
每个进程看到的是一套独立的虚拟地址空间：
| 虚拟地址 | 页表 | 物理内存 |
|---|---|---|
| Page 1 (0x0000) | → Frame 7 | Frame #7 |
| Page 2 (0x1000) | → Frame 2 | Frame #2 |
操作系统维护一张**页表（Page Table）**记录页号 → 物理帧的映射。
📌 优点：隔离性好、易于分配、可共享代码段
📌 巧记口诀：
"页表一翻，万象更新，虚实之间系统通灵。"
🧱 六、分段机制：把程序逻辑分区
有些系统采用段式内存管理：将程序划分为代码段、数据段、堆栈段等，每段都有独立的段基址 + 长度。
📌 特点：支持程序结构化访问，适用于模块化程序设计
📌 但：不如分页灵活，易产生外部碎片
🧪 七、段页结合：最强内存组合拳
大部分现代系统采用：
段页式管理（Segmented Paging）
每个段再分页，兼顾结构化与内存利用率。
- 虚拟地址 = 段号 + 页号 + 页内偏移
🚨 八、内存保护机制：防止进程乱串门
操作系统通过：
- 页表权限（读写/只读）
- 地址边界检查
- 用户态 / 内核态隔离
保证每个进程「各住各家，井水不犯河水」。
📌 常见内存错误：
- 段错误（Segmentation Fault）
- 访问非法地址（Null Pointer）
📌 巧记口诀：
"分区保护强，串门要判刑。"
🧪 面试练习题
Q1：一个进程的栈为什么向下增长？
✅ 为了与堆错开方向，避免冲突，提高空间利用率。
Q2：分页机制能解决什么问题？
✅ 内存碎片 / 空间隔离 / 多任务运行。
Q3：虚拟地址是怎么转换成物理地址的？
✅ 通过页表查表，将虚页号映射到物理帧号。
Q4：段页式管理有什么优势？
✅ 可结构化管理 + 减少碎片 + 多级映射更灵活。
✅ 一句话总结
"进程的家不在内存物理地址上，而在操作系统的精心规划中。"