盘点操作系统的几种内存管理算法

‌内存是计算机系统中除了处理器以外最重要的资源，用于存储当前正在执行的程序和数据。内存是相对于CPU来说的，CPU可以直接寻址的存储空间叫做内存，CPU需要通过驱动才能访问的叫做外存。

操作系统的内存管理算法主要包括以下几种‌：

连续内存管理‌：

‌单一连续内存管理‌：内存被分为系统区和用户区，适用于单用户、单任务的操作系统。优点是管理简单，但缺点是对内存的利用率较低，容易造成内存浪费。

‌分区式内存管理‌：将内存划分为若干个固定大小的区域，每个分区可以装入一个进程。这种方式支持多道程序系统，但会造成内碎片和外碎片，且分区总数固定，限制了并发执行的程序数量。

‌非连续内存管理‌：

‌分页存储管理‌：将进程的地址空间分成若干页，每个页对应一个内存块。这种方式可以减少内存碎片，提高内存利用率，常用于现代操作系统。

‌分段存储管理‌：将进程的代码和数据分成多个段，每个段可以分配到不同的内存区域。这种方式灵活性高，适用于大型应用程序。

‌具体的内存分配算法‌：

‌首次适应算法(First Fit)‌：从空闲分区链表的起始位置开始查找，找到第一个满足需求的空闲分区。

‌循环首次适应算法(Next Fit)‌：从上一次分配过的空闲分区的下一个开始查找，如果找不到合适的分区，则回到链表起始位置继续查找。

‌最佳适应算法(Best Fit)‌：从所有空闲分区中找出既能满足需求又大小最小的分区。

‌最坏适应算法(Worst Fit)‌：从所有空闲分区中找出既能满足需求又大小最大的分区。

‌其他相关技术‌：

‌伙伴系统‌：用于管理大块物理内存的分配和释放，通过2的幂次方的大小组合成伙伴块，避免内存碎片问题。

‌SLAB分配器‌：用于管理小对象分配的内存分配机制，通过维护不同的链表来提高小对象分配的效率。

‌CMA(Contiguous Memory Allocator)‌：用于分配连续物理内存块，适用于需要连续内存的硬件驱动和某些应用场景。

‌Huge Pages‌：允许应用程序使用更大的页面(如2MB或1GB)，提高性能和内存使用效率。

这些算法和技术共同构成了现代操作系统的内存管理机制，确保高效、灵活地管理系统的内存资源。

内存的基本概念

内存，作为计算机系统中的核心资源，承载着程序与数据的即时存储需求。它与CPU紧密相连，是CPU可直接寻址的存储空间，而那些需要通过驱动才能访问的存储设备则被称为外存。

ROM、RAM与Flash

内存通常采用半导体存储单元，其类型包括只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。ROM以读取为主，数据在掉电后不会丢失，而RAM则既可读取也可写入，但数据在掉电后会消失。实际上，我们通常所说的内存主要指的是RAM。

此外，近年来闪存(Flash)已逐渐取代ROM在嵌入式系统中的地位。它融合了ROM和RAM的优点，不仅具备电子可擦除可编程的特性，还能在断电后保留数据，并支持快速数据读取。

内存管理方式

操作系统的内存管理模块负责分配、释放和初始化系统的内存资源，是操作系统的关键组件之一。根据内存分配的连续性，内存管理方式可分为两大类：连续内存管理和非连续内存管理。

连续内存管理为进程分配连续的内存空间，但这种方式可能导致内存碎片化，降低内存利用率。而非连续内存管理通过将进程分散到多个不连续的内存空间中，能有效减少内存碎片，提高内存使用效率。当前主流的操作系统普遍采用这种非连续内存管理方式。

然而，对于内存资源有限的嵌入式系统来说，由于分配粒度较大，非连续内存管理可能并不适用。因此，这类系统通常采用连续内存管理方式，其中分区式内存管理是一种常用的方法。接下来，本文将深入探讨嵌入式系统中常用的分区式内存管理。

分区式内存管理主要分为固定分区和动态分区两种方式。在固定分区方式中，内存被预先划分为若干个固定大小的区域，这些区域的大小既可以相等也可以不等。这种管理方式的实现较为简单，但缺点是可能导致分区内的碎片浪费，并且分区的总数是固定的，从而限制了能够并发执行的进程数量。

相比之下，动态分区管理则更加灵活。它根据进程的实际需求，动态地为其分配所需的内存空间。这种管理方式能够更好地适应系统运行时的变化，提高内存的利用率。

动态分区管理通常采用空闲链表法来实现。这种方法基于一个双向链表来保存空闲分区的信息。在初始状态下，整个内存块都被作为一个大的空闲分区加入到链表中。当进程申请内存时，系统会从链表中找到一个大小满足要求的空闲分区进行分配。如果找到的分区大于实际所需的内存空间，那么系统会从该分区中拆分出所需大小的内存并交给进程使用，同时将拆分出的内存从链表中移除，而剩下的内存仍然保留在链表中作为新的空闲分区。

此外，空闲链表法有多种数据结构实现方式。这里介绍一种较为简单的数据结构：每个空闲分区的数据结构中包含该分区的大小信息，以及指向前一个分区和后一个分区的指针。通过这些指针，各个空闲分区被链接成一个双向链表，方便系统进行管理和分配。

内存分配算法

First Fit(首次适应算法)

在首次适应算法中，空闲分区链表是按照地址从小到大的顺序进行链接的。当需要分配内存时，系统会从链表的起始位置开始查找，直到找到第一个能够满足进程需求的空闲分区为止。

Next Fit(循环首次适应算法)

循环首次适应算法是首次适应算法的变种。在分配内存时，系统会从上一次分配过的空闲分区的下一个位置开始查找，直到找到一个能够满足进程需求的空闲分区。如果搜索到链表的末尾仍然没有找到合适的空闲分区，系统会回到链表的起始位置继续查找。

Best Fit(最佳适应算法)

最佳适应算法旨在从所有空闲分区中找出既能满足进程需求又大小最小的空闲分区。为了提升查找效率，该算法将所有空闲分区按照容量从小到大进行排序，并链接成一个链表。这样，系统在查找时只需按照顺序遍历链表，第一次找到的满足大小要求的内存即为最小的空闲分区。