操作系统基础(四) -- 内存管理基础

一个程序的可执行文件在内存中的结果,从大的角度可以分为两个部分:只读部分和可读写部分.
只读部分包括程序代码(.text)和程序中的常量(.rodata).
可读写部分(也就是变量)大致可以分成下面几个部分:
1. .data: 完成初始化的全局变量和静态变量.
2. .bss: 即 Block Started by Symbol, 未初始化的全局变量和静态变量.
3. heap: 堆, 使用 malloc, realloc, 和 free 函数控制的变量, 堆在所有的 线程,共享库和动态加载的模块 中被共享使用.
4. stack: 栈, 函数调用时使用栈来保存函数现场,自动变量(即生命周期限制在某个scope的变量)也存放在栈中.

// 如下两个变量一开始被存储在.text中(因为值写在代码里),在程序启动时拷贝到.data区.
int val = 3;
char string[] = "Hello World!";

// 不初始化,变量被放在bss区.
static int i;

全局变量: 在一个代码文件中,一个变量要么定义在函数中,要么定义在在函数外面.当定义在函数外面时,这个变量就有了全局作用域,成为了全局变量.全局变量不光意味着这个变量可以在整个文件中使用,也意味着这个变量可以在其他文件中使用.

// file name : main.c

#include <stdio.h>

int a;
int compute(void);

int main()
{
    a = 1;
    printf("%d %d\n", a, compute());
    return 0;
}

// file name : compute.c

int a;

int compute(void)
{
    a = 0;
    return a;
}

在 Link过程 中会产生重复定义错误,因为有两个全局的 a 变量,Linker 不知道应该使用哪一个.为了避免这种情况,就需要引入 static.
静态变量: 指使用 static 关键字修饰的变量, static 关键字对变量的作用域进行了限制,具体的限制如下:
1. 在函数外定义: 全局变量,但是只在当前文件中可见(叫 internal linkage)
2. 在函数内定义: 全局变量,但是只在此函数内可见(同时,在多次函数调用中,变量的值不会丢失)
3. (C++)在类中定义: 全局变量,但是只在此类中可见.
extern: extern 是 C 语言中另一个关键字,用来指示变量或函数的定义在别的文件中,使用 extern 可以在多个源文件中共享某个变量.

static int m;
extern int m;

栈是用于存放本地变量,内部临时变量以及有关上下文的内存区域.程序在调用函数时,操作系统会自动通过压栈和弹栈完成保存函数现场等操作,不需要程序员手动干预.
栈是一块连续的内存区域,栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的.能从栈获得的空间较小.如果申请的空间超过栈的剩余空间时,例如递归深度过深,将提示stackoverflow.
栈是机器系统提供的数据结构,计算机会在底层对栈提供支持:分配专门的寄存器存放栈的地址,压栈出栈都有专门的指令执行,这就决定了栈的效率比较高.

堆是用于存放除了栈里的东西之外所有其他东西的内存区域,当使用malloc和free时就是在操作堆中的内存.对于堆来说,释放工作由程序员控制,容易产生memory leak.
堆是向高地址扩展的数据结构,是不连续的内存区域.这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的,自然是不连续的,而链表的遍历方向是由低地址向高地址.堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存.由此可见,堆获得的空间比较灵活,也比较大.
对于堆来讲,频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续,从而造成大量的碎片,使程序效率降低.对于栈来讲,则不会存在这个问题,因为栈是先进后出的队列,永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出.
堆都是动态分配的,没有静态分配的堆.栈有2种分配方式:静态分配和动态分配.静态分配是编译器完成的,比如局部变量的分配.动态分配由alloca函数进行分配,但是栈的动态分配和堆是不同的,他的动态分配是由编译器进行释放,无需我们手工实现.
计算机底层并没有对堆的支持,堆则是C/C++函数库提供的,同时由于上面提到的碎片问题,都会导致堆的效率比栈要低.

FIFO算法: 先入先出,即淘汰最早调入的页面.
OPT(MIN)算法: 选未来最远将使用的页淘汰,是一种最优的方案,可以证明缺页数最小.可惜,MIN需要知道将来发生的事,只能在理论中存在,实际不可应用.
LRU(Least-Recently-Used)算法: 用过去的历史预测将来,选最近最长时间没有使用的页淘汰(也称最近最少使用).
LRU准确实现: 计数器法,页码栈法: 由于代价较高,通常不使用准确实现,而是采用近似实现,例如Clock算法.
内存抖动现象: 页面的频繁更换,导致整个系统效率急剧下降,这个现象称为内存抖动(或颠簸).抖动一般是内存分配算法不好,内存太小引或者程序的算法不佳引起的.
Belady现象: 对有的页面置换算法,页错误率可能会随着分配帧数增加而增加.
1. FIFO会产生Belady异常.
2. 栈式算法无Belady异常,LRU,LFU(最不经常使用),OPT都属于栈式算法.