正文

 

　　存儲(chǔ)管理是操作系統(tǒng)非常重要的功能之一，本文主要介紹操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)知識(shí)，包括緩存相關(guān)知識(shí)、連續(xù)內(nèi)存分配、伙伴系統(tǒng)、非連續(xù)內(nèi)存分配、內(nèi)存碎片等，并結(jié)合linux系統(tǒng)對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)證。文章內(nèi)容來(lái)自筆者學(xué)習(xí)清華大學(xué)和UCSD的操作系統(tǒng)課程的筆記和總結(jié)，以及自己的思考和實(shí)踐。

分層的存儲(chǔ)管理：

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　　CPU（Central Processing Unit）是計(jì)算機(jī)的核心，其主要工作是解釋計(jì)算機(jī)指令、處理數(shù)據(jù)。那么這些指令和數(shù)據(jù)來(lái)自哪里呢？和TCP／IP的分層設(shè)計(jì)思想一樣，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理也分為以下四層：

  • 寄存器

  • cache

  • 內(nèi)存

  • 外存（外設(shè)）

　　四層中，越上層的速度越快，同時(shí)造價(jià)也更為昂貴，自然空間也更小。寄存器通常只有幾十之多幾百個(gè)字節(jié)，主要用來(lái)存放固定的指針或者計(jì)算的中間結(jié)果。cache是一個(gè)比較通用的術(shù)語(yǔ)，在計(jì)算機(jī)體系機(jī)構(gòu)中，稱之為高速緩沖存儲(chǔ)器，直接由硬件來(lái)管理，不同的CPU有不同級(jí)別的cache內(nèi)存由操作系統(tǒng)來(lái)管理。內(nèi)存（一般又稱為主存）在cache失效的時(shí)候訪問(wèn)，速度要比cache慢至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中最復(fù)雜的功能之一。外存又稱之為虛擬內(nèi)存，是將外設(shè)的一部分空間用來(lái)存儲(chǔ)未能加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)存缺頁(yè)（頁(yè)的概念后面會(huì)介紹）的時(shí)候就會(huì)用到外存，外存的速度與內(nèi)存比起來(lái)與天壤之別，慢個(gè)幾十萬(wàn)倍都是可能的。

cache：

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　　在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU的運(yùn)行速度與主存（即我們平常所說(shuō)的內(nèi)存）的訪問(wèn)速度極不匹配，導(dǎo)致CPU的利用率比較低。為了提高CPU利用率，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中廣泛采用高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）技術(shù)。

　　cache也分為好多級(jí)，比如一級(jí)緩存（L1 cache）、二級(jí)緩存（L2 cache），基本上的CPU都至少有L1 cache與L2 cache，目前稍微好一點(diǎn)的CPU也會(huì)有L3 cache，對(duì)于性能更好的CPU還會(huì)有L4 cache。L1 cache、L2 cache一般都只有幾十K個(gè)字節(jié)，存儲(chǔ)指令或者數(shù)據(jù)，L3cache可以有幾百個(gè)字節(jié)或者幾M，L4 cache可以有幾十、幾百M(fèi)。同樣的，空間大小與速度、價(jià)格相關(guān)。

局部性原理：

　　我們看到，cache的容量（特別是效率最高的L1 cache、L2 cache）都非常小，那怎么保證有比較高的命中率呢，如果命中率比較低，每次還得去內(nèi)存取數(shù)據(jù)，還要置換cache中的數(shù)據(jù)，反而得不償失。幸好，程序的局部性原理保證了cache能有比較高的命中率。什么是局部性原理：程序一般以模塊的形式組織，某一模塊的程序