分享3：内存管理与虚拟内存

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ugali 2025-01-06 22:14:06 博主文章分类：系统运维 ©著作权

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内存管理与虚拟内存

一、提纲：

内存分配与释放

内存分配的基本概念
内存释放的方式

虚拟内存的概念与管理

虚拟内存的作用与重要性
如何实现虚拟内存

页面置换算法

页面置换算法的概念与常见算法
如何通过算法优化内存使用

二、内容讲解：

1. 内存分配与释放

在操作系统中，内存分配与释放是两个非常重要的概念，涉及到操作系统如何管理有限的内存资源，并确保多个进程能够并发运行而不互相干扰。

内存分配的基本概念：

静态分配： 进程在运行前就已知内存需求，内存一开始就分配完毕。比如栈空间。
动态分配： 进程在运行过程中动态申请内存。比如堆空间（malloc、free）。

内存释放：

在程序不再需要某块内存时，操作系统会回收这部分内存。
手动释放： 由程序员负责，比如 C 语言中的 free()。
自动释放： 垃圾回收机制（如 Java 中的垃圾回收）。

2. 虚拟内存的概念与管理

虚拟内存是操作系统为了解决内存管理问题而提供的一个重要机制，它允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间，并实现内存保护。

虚拟内存的作用：

隔离进程： 每个进程有自己的虚拟地址空间，进程之间互相隔离，不会干扰。
扩展内存： 虚拟内存使得程序能使用比物理内存更大的内存空间。
内存保护： 防止程序误操作其他进程的内存。

虚拟内存的实现：

页面（Page）： 物理内存被划分为固定大小的页面，虚拟内存也被划分为相同大小的页面。
页表（Page Table）： 虚拟内存地址到物理内存地址的映射表。
换页： 当一个页面不在物理内存中时，操作系统会将其从硬盘（交换空间）加载到物理内存中。

3. 页面置换算法

当物理内存不够用时，操作系统需要选择哪些页面从内存中换出，以腾出空间给其他页面。这个过程称为页面置换。

常见的页面置换算法：

FIFO（First-In, First-Out）：

页面按照进入内存的顺序进行置换，最先进入内存的页面最先被替换出去。

LRU（Least Recently Used）：

替换掉最长时间没有被访问的页面。

OPT（Optimal）：

选择未来不会被访问或最晚被访问的页面进行置换。

Clock（时钟算法）：

结合了 FIFO 和 LRU，使用一个“时钟”来标记页面是否被最近使用。

三、实验部分

实验 1：内存分配与释放

目的： 了解动态内存分配和释放的过程。

实验步骤：

编写一个 C 程序，使用 malloc 分配内存并用 free 释放内存。

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // 分配内存
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // 检查内存是否成功分配
    if (arr == NULL) {
        printf("内存分配失败!\n");
        return 1;
    }

    // 初始化数组
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i * 2;
    }

    // 输出数组内容
    printf("数组内容：\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }

    // 释放内存
    free(arr);
    printf("\n内存已释放。\n");

    return 0;
}

实验结果：

程序分配了一个大小为 10 * sizeof(int) 的内存块，初始化并输出数组内容，最后释放了分配的内存。

分享3：内存管理与虚拟内存_虚拟内存

实验 2：虚拟内存与页面置换模拟

目的： 模拟简单的虚拟内存页面置换过程。

实验步骤：

编写一个 Python 程序，模拟 FIFO 页面置换算法。
假设内存中只有 3 个页面，访问顺序为 [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5]，使用 FIFO 进行页面置换。

代码：

def fifo_page_replacement(pages, memory_size):
    memory = []
    page_faults = 0

    for page in pages:
        if page not in memory:
            page_faults += 1
            if len(memory) >= memory_size:
                memory.pop(0)  # FIFO: remove the first page
            memory.append(page)
        print(f"当前内存状态: {memory}")

    return page_faults

# 页面访问顺序与内存大小
pages = [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5]
memory_size = 3

# 执行 FIFO 页面置换
page_faults = fifo_page_replacement(pages, memory_size)

print(f"页面错误次数: {page_faults}")

实验结果：

输出页面访问过程和内存状态，最后输出页面置换过程中发生的页面错误次数。

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实验 3：LRU 页面置换算法

目的： 通过 Python 实现 LRU 页面置换算法。

实验步骤：

编写 Python 程序，模拟 LRU 页面置换算法。
假设内存大小为 3，页面访问顺序为 [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5]。

代码：

from collections import deque

def lru_page_replacement(pages, memory_size):
    memory = deque(maxlen=memory_size)
    page_faults = 0

    for page in pages:
        if page not in memory:
            page_faults += 1
            if len(memory) == memory_size:
                memory.popleft()  # Remove the least recently used page
            memory.append(page)
        else:
            # Move the accessed page to the end (most recently used)
            memory.remove(page)
            memory.append(page)
        print(f"当前内存状态: {list(memory)}")

    return page_faults

# 页面访问顺序与内存大小
pages = [1, 2, 3, 4, 1, 2, 5]
memory_size = 3

# 执行 LRU 页面置换
page_faults = lru_page_replacement(pages, memory_size)

print(f"页面错误次数: {page_faults}")

实验结果：