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：
- 存储介质在容量、速度、成本上不可兼得
- 由此形成层级结构：寄存器 → Cache → 主存 → 外存
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：
- 记录资源状态（使用 / 空闲）
- 进行空间隔离（Protection）
- 执行地址映射（Translation）
- 决定数据驻留位置（Placement & Replacement）
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：
- 程序直接使用物理地址
- 任意进程可读写全部内存
导致两个根本性缺陷：
- 无法隔离：安全性不可控
- 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：
- 通过编译期或加载期地址映射
- 逻辑地址 ≈ 偏移后的物理地址
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：
- 每个进程拥有独立命名空间
- 相同地址值 ≠ 相同物理位置
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：
- 保护（Protection）：禁止非法访问
- 重定位（Relocation）：地址可移动
3.3 基址 / 界限寄存器模型
- 基址寄存器：映射起点
- 界限寄存器：合法范围
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：
- 时间局部性
- 空间局部性
这是虚拟内存一切机制的理论基础。
4.2 交换（Swapping）的思想
- 整个进程作为单位换入 / 换出
- 用磁盘换取并发度
问题：
- 粗粒度
- 高开销
- 容易产生碎片
4.3 连续内存的空闲管理
两类本质模型：
- 位图（Bitmap）：空间换时间
- 链表（Free List）：时间换空间
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）：
- 逻辑上连续
- 物理上离散
5.2 页、页框与映射
- 虚拟页（VP）
- 物理页框（PP）
- 页表（Page Table）描述映射关系
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：
- 虚拟地址 → 物理地址
- 权限校验
6.2 页表的逻辑模型
每个页表项（PTE）至少包含：
- 有效位
- 物理页号 / 磁盘地址
- 权限位（R/W/X）
- 状态位（访问 / 修改）
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
- 按需创建
- 空间换时间
7.2 倒排页表
- 以物理页为中心
- 必须依赖 TLB
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
- 地址相同 ≠ 数据相同
- 物理页可被多个地址空间映射
8.2 共享的工程价值
- 共享库
- 只读代码
- 写时复制（Copy-on-Write）
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
- OPT：理论上界
- FIFO：时间近似
- LRU：访问历史近似
- Clock / Aging：工程折中
- Working Set：程序语义感知
核心权衡：
- 精确度
- 维护成本
- 硬件支持
十、系统稳定性问题：颠簸与负载控制
- 缺页率（PFF）
- 局部 / 全局分配
- 负载削减
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
- 程序语义可见
- 天然支持共享与保护
11.2 分页的动机
- 支持虚拟内存
- 消除外部碎片
11.3 段页式模型
- MULTICS
- x86（GDT / LDT + Paging）
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
- Code / Data / BSS
- Heap（brk / sbrk / mmap）
- Stack
- Shared Library
- Memory-mapped Files
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
- 空闲块组织
- 放置策略
- 分割与合并
- 并发优化（Thread Cache）
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
- 未映射
- 不在内存
- 写保护
- 权限违规
14.2 缺页中断处理流程
- 保存现场
- 判定合法性
- 选择牺牲页
- IO 交换
- 更新映射
- 恢复执行
十五、虚拟化场景下的内存管理
- GVA → GPA → HPA
- Shadow Page Table
- EPT / NPT
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。