操作系统-内存管理

操作系统的内存管理是指操作系统如何管理计算机的内存资源，包括分配和回收内存空间，保护内存空间以及共享内存空间等。

内存的物理结构

计算机内存通常由一组芯片组成，这些芯片通过总线相连。每个芯片都有一个地址范围，操作系统将这些地址范围映射到一个连续的地址空间中，这个地址空间被操作系统称为虚拟地址空间。在访问内存时，计算机硬件将虚拟地址转换为物理地址，然后访问内存。

内存的逻辑结构

操作系统将虚拟地址空间划分为不同的区域，每个区域有不同的用途。常见的区域包括：

• 代码段：用于存放程序的指令；
• 数据段：用于存放程序的全局变量和静态变量；
• 堆：动态分配的内存空间，用于存放程序运行时分配的内存；
• 栈：存放程序的局部变量和函数调用时的参数和返回地址。

内存分配与释放

当程序需要动态分配内存空间时，操作系统会提供一些接口供程序员使用。常见的接口包括：

• malloc：动态分配内存空间；
• calloc：清零并动态分配内存空间；
• realloc：重新分配内存空间。

程序员要负责在不再需要内存时将其释放，释放内存的常见方式包括：

• free：释放内存空间；
• delete：释放对象并调用其析构函数；
• 函数返回后，局部变量所占用的内存空间会自动被释放。

内存保护

操作系统为了保护内存空间的安全性，采取了一系列措施，如：

• 将虚拟地址空间划分为不同的区域，通过页面映射等方式实现段的保护；
• 为不同的进程分配独立的虚拟地址空间；
• 采用权限位控制对内存的访问权限。

内存共享

内存共享是指多个进程可以共享同一块内存空间。常见的内存共享方式有：

• 共享内存：多个进程通过映射同一块物理内存实现内存共享；
• 内存映射文件：多个进程通过映射同一文件到虚拟地址空间实现内存共享。

总结

操作系统的内存管理是保证计算机系统能够正常工作的基础。程序员在编写程序时要注意合理使用内存空间，避免内存泄漏和内存访问错误等问题。