基本概念

内存管理基础

内存管理是操作系统的核心功能之一，负责管理计算机的主存储器，为进程分配和回收内存空间，确保内存的安全使用。

程序装入与链接

程序装入过程

程序从外存调入内存的过程称为程序装入，主要包括以下步骤：

1. 编译阶段：将源代码编译成目标代码
2. 链接阶段：将多个目标模块链接成可执行程序
3. 装入阶段：将可执行程序装入内存

链接方式

1. 静态链接

// 编译时链接所有库函数
gcc -static program.c -o program

• 优点：执行速度快，不依赖外部库
• 缺点：可执行文件大，内存利用率低

2. 动态链接

// 运行时链接库函数
gcc program.c -o program

• 优点：节省内存，便于库函数更新
• 缺点：执行速度稍慢，依赖外部库

3. 运行时动态链接

// 程序运行时根据需要加载库
dlopen("libmath.so", RTLD_LAZY);

装入方式

1. 绝对装入

• 程序装入到指定的绝对地址
• 适用于单道程序系统
• 地址在编译时确定

2. 可重定位装入

• 程序装入到内存的任意位置
• 需要重定位寄存器
• 支持多道程序设计

3. 动态运行时装入

• 程序在运行时才确定装入位置
• 支持虚拟内存管理
• 地址转换延迟到访问时进行

逻辑地址与物理地址空间

地址空间概念

逻辑地址空间：

• 由 CPU 生成的地址
• 从 0 开始的连续地址空间
• 程序员可见的地址

物理地址空间：

• 内存单元的实际地址
• 可能不连续
• 硬件可见的地址

地址转换过程

地址转换机构：

1. 重定位寄存器：基址寄存器
2. 页表：分页系统中的地址映射
3. 段表：分段系统中的地址映射

地址转换示例

基址重定位：

// 逻辑地址：1000
// 基址寄存器：5000
// 物理地址 = 逻辑地址 + 基址 = 1000 + 5000 = 6000

分页地址转换：

// 逻辑地址：0x1234
// 页号：0x12，页内偏移：0x34
// 通过页表查找物理块号
// 物理地址 = 物理块号 × 页大小 + 页内偏移

内存保护

保护机制

1. 界限寄存器保护

// 基址寄存器：5000
// 界限寄存器：2000
// 有效地址范围：[5000, 7000)
if (address < base || address >= base + limit) {
    // 地址越界，产生保护性中断
    raise_protection_fault();
}

2. 页表保护位

typedef struct {
    int frame_number;    // 物理块号
    int valid;          // 有效位
    int read;           // 读权限
    int write;          // 写权限
    int execute;        // 执行权限
} PageTableEntry;

3. 段表保护位

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术语对照表