内存为程序分配空间的四种分配方式

存储器是个宝贵但却有限的资源。一流的 *** 作系统，需要能够有效地管理及利用存储器。

内存为程序分配空间有四种分配方式：

1、连续分配方式

2、基本分页存储管理方式

3、基本分段存储管理方式

4、段页式存储管理方式

首先讲连续分配方式。 连续分配方式 出现的时间比较早，曾广泛应用于20世纪60~70年代的OS中，但是它至今仍然在内存管理方式中占有一席之地，原因在于它 实现起来比较方便，所需的硬件支持最少 。连续分配方式又可细分为四种： 单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配和动态重定位分区分配 。

其中固定分区的分配方式，因为分区固定，所以缺乏灵活性，即 当程序太小时，会造成内存空间的浪费（ 内部碎片 ） ； 程序太大时，一个分区又不足以容纳，致使程序无法运行（ 外部碎片 ） 。但尽管如此，当一台计算机去控制多个相同对象的时候，由于这些对象内存大小相同，所以完全可以采用这种内存管理方式，而且是最高效的。这里我们可以看出存储器管理机制的多面性：没有那种存储器管理机制是完全没有用的，在适合的场合下，一种被认为最不合理的分配方案却可能称为最高效的分配方案。 一切都要从实际问题出发，进行设计。

为了解决固定分区分配方式的缺乏灵活性，出现了 动态分配方式 。动态分配方式采用一些 寻表（Eg： 空闲链表 ） 的方式，查找能符合程序需要的空闲内存分区。但代价是增加了系统运行的开销，而且内存空闲表本身是一个文件，必然会占用一部分宝贵的内存资源，而且有些算法还会增加内存碎片。

可重定位分区分配通过对程序实现成定位，从而可以将内存块进行搬移，将小块拼成大块，将小空闲“紧凑”成大空闲，腾出较大的内存以容纳新的程序进程。

连续分配方式 会形成许多“碎片”，虽然可以通过“紧凑”方式将许多碎片拼接成可用的大块空间，但须为之付出很大开销。所以提出了“ 离散分配方式 ”的想法。如果 离散分配的基本单位是页 ，则称为 分页管理方式 ；如果离散分配的基本单位是段，则称为 分段管理方式 。

分页存储管理是将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面或页，并为各页加以编号，从0开始，如第0页、第1页等。相应地，也把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块，称为(物理)块或页框(frame)，也同样为它们加以编号，如0#块、1#块等等。在为进程分配内存时，以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中。由于进程的最后一页经常装不满一块而形成了不可利用的碎片，称之为“ 页内碎片 ”。

在分页系统中，允许将进程的各个页离散地存储在内存不同的物理块中（所以能实现离散分配方式） ，但系统应能保证进程的正确运行，即能在内存中找到每个页面所对应的物理块。为此，系统又为每个进程建立了一张页面映像表，简称 页表 。在进程地址空间内的所有页，依次在页表中有一页表项，其中记录了相应页在内存中对应的物理块号。在配置了页表后，进程执行时，通过查找该表，即可找到每页在内存中的物理块号。可见， 页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射 。

为了能够将用户地址空间中的 逻辑地址，变换为内存空间中的物理地址 ，在系统中必须设置 地址变换机构 。地址变换任务是借助于页表来完成的。

页表 的功能可由一组专门的寄存器来实现。由于寄存器成本较高，且大多数现代计算机的页表又很大，使页表项总数可达几千甚至几十万个，显然这些页表项不可能都用寄存器来实现，因此，页表大多驻留在内存中。因为一个进程可以通过它的PCB来时时保存自己的状态，等到CPU要处理它的时候才将PCB交给寄存器，所以，系统中虽然可以运行多个进程，但也只需要一个页表寄存器就可以了。

由于 页表是存放在内存中 的，这使得 CPU在每存取一个数据时，都要两次访问内存 。为了提高地址变换速度，在地址变化机构中增设了一个 具有并行查询能力的高速缓冲寄存器 ，又称为“联想寄存器”（Associative Lookaside Buffer）。

在单级页表的基础上，为了适应非常大的逻辑空间，出现了两级和多级页表，但是，他们的原理和单级页表是一样的，只不过为了适应地址变换层次的增加，需要在地址变换机构中增设外层的页表寄存器。

分段存储管理方式 的目的，主要是为了满足用户（程序员）在编程和使用上多方面的要求，其中有些要求是其他几种存储管理方式所难以满足的。因此，这种存储管理方式已成为当今所有存储管理方式的基础。

分段管理方式和分页管理方式在实现思路上是很相似的，只不过他们的基本单位不同。分段有 段表 ，也有 地址变换机构 ，为了提高检索速度，同样增设 联想寄存器（具有并行查询能力的高速缓冲寄存器） 。所以有些具体细节在这个不再赘述。

分页和分段的主要区别：

1、两者相似之处：两者 都采用离散分配方式，且都要通过地址映射机构来实现地址变换 。

2、两者的不同之处：

（1）页是信息的 物理单位 ，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。或者说，分页仅仅是由于 系统管理的需要 而不是用户的需要。段则是信息的 逻辑单位 ，它含有一组其意义相对完整的信息。 分段的目的是为了能更好地满足用户的需要 。

（2） 页的大小固定 且由系统决定，而 段的长度却不固定 。

（3）分页的作业地址空间是 一维 的，即单一的线性地址空间；而分段的作业地址空间则是 二维 的。

前面所介绍的分页和分段存储管理方式都各有优缺点。 分页系统能有效地 提高内存利用率 ，而分段系统则能很好地 满足用户需求 。 我们希望能够把两者的优点结合，于是出现了段页式存储管理方式。

段页式系统的基本原理，是分段和分页原理的结合，即 先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页 ，并为每一个段赋予一个段名。在段页式系统中，地址结构由段号、段内页号和页内地址三部分组成。

和前两种存储管理方式相同，段页式存储管理方式同样需要增设联想寄存器。

离散分配方式 基于将一个进程直接分散地分配到许多不相邻的分区中的思想，分为分页式存储管理，分段式存储管理和段页式存储管理. 分页式存储管理旨在提高内存利用率，满足系统管理的需要，分段式存储管理则旨在满足用户(程序员)的需要，在实现共享和保护方面优于分页式存储管理，而段页式存储管理则是将两者结合起来，取长补短，即具有分段系统便于实现，可共享，易于保护，可动态链接等优点，又能像分页系统那样很好的解决外部碎片的问题，以及为各个分段可离散分配内存等问题，显然是一种比较有效的存储管理方式。

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在 *** 作系统中，一个进程就是处于执行期的程序（当然包括系统资源），实际上正在执行的程序代码的活标本。那么进程的逻辑地址空间是如何划分的呢？

图1做了简单的说明(Linux系统下的)：

图一

左边的是UNIX/LINUX系统的执行文件，右边是对应进程逻辑地址空间的划分情况。

一般认为在c中分为这几个存储区：    1. 栈 －－有编译器自动分配释放     2. 堆 －－ 一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收     3. 全局区（静态区） －－ 全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束释放。     4. 另外还有一个专门放常量的地方。程序结束释放。    在函数体中定义的变量通常是在栈上，用malloc, calloc, realloc等分配内存的函数分配得到的就是在堆上。在所有函数体外定义的是全局量，加了static修饰符后不管在哪里都存放在全局区（静态区）,在所有函数体外定义的static变量表示在该文件中有效，不能extern到别的文件用，在函数体内定义的static表示只在该函数体内有效。另外，函数中的"adgfdf"这样的字符串存放在常量区。 比如：代码:

int a = 0//全局初始化区

char *p1//全局未初始化区

main() {

int b//栈

char s[] = "abc"//栈

char *p2//栈

char *p3 = "123456"//123456\0在常量区，p3在栈上。

static int c = 0； //全局（静态）初始化区

p1 = (char *)malloc(10)

p2 = (char *)malloc(20)     //分配得来得10和20字节的区域就在堆区。

strcpy(p1, "123456")     //123456\0放在常量区，编译器可能会将它与p3所指向           的"123456"优化成一块。

}

还有就是函数调用时会在栈上有一系列的保留现场及传递参数的 *** 作。     栈的空间大小有限定，vc的缺省是2M。栈不够用的情况一般是程序中分配了大量数组和递归函数层次太深。有一点必须知道，当一个函数调用完返回后它会释放该函数中所有的栈空间。栈是由编译器自动管理的，不用你 *** 心。     堆是动态分配内存的，并且你可以分配使用很大的内存。但是用不好会产生内存泄漏。并且频繁地malloc和free会产生内存碎片（有点类似磁盘碎片），因为c分配动态内存时是寻找匹配的内存的。而用栈则不会产生碎片。     在栈上存取数据比通过指针在堆上存取数据快些。     一般大家说的堆栈和栈是一样的，就是栈(stack)，而说堆时才是堆heap. 栈是先入后出的，一般是由高地址向低地址生长。

堆(heap)和堆栈(stack)的区别

2.1申请方式stack:由系统自动分配。 例如，声明在函数中一个局部变量 int b系统自动在栈中为b开辟空间heap:需要程序员自己申请，并指明大小，在c中malloc函数

如p1 = (char *)malloc(10)

在C++中用new运算符

如p2 = (char *)malloc(10)

但是注意p1、p2本身是在栈中的。

2.2 申请后系统的响应栈：只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常提示栈溢出。堆：首先应该知道 *** 作系统有一个记录空闲内存地址的链表，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序，另外，对于大多数系统，会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，这样，代码中的delete语句才能正确的释放本内存空间。另外，由于找到的堆结点的大小不一定正好等于申请的大小，系统会自动的将多余的那部分重新放入空闲链表中。

2.3

2.4申请效率的比较：栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配内存，他不是在堆，也不是在栈是直接在进程的地址空间中保留一快内存，虽然用起来最不方便。但是速度快，也最灵活。

2.5堆和栈中的存储内容栈： 在函数调用时，第一个进栈的是主函数中后的下一条指令（函数调用语句的下一条可执行语句）的地址，然后是函数的各个参数，在大多数的C编译器中，参数是由右往左入栈的，然后是函数中的局部变量。注意静态变量是不入栈的。当本次函数调用结束后，局部变量先出栈，然后是参数，最后栈顶指针指向最开始存的地址，也就是主函数中的下一条指令，程序由该点继续运行。堆：一般是在堆的头部用一个字节存放堆的大小。堆中的具体内容有程序员安排。

2.6存取效率的比较

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa"

char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb"

aaaaaaaaaaa是在运行时刻赋值的；

而bbbbbbbbbbb是在编译时就确定的；

但是，在以后的存取中，在栈上的数组比指针所指向的字符串(例如堆)快。

比如：#include <...>

void main(){

char a = 1

char c[] = "1234567890"

char *p ="1234567890"

a = c[1]

a = p[1]

return

}

对应的汇编代码

10: a = c[1]

00401067 8A 4D F1 mov cl,byte ptr [ebp-0Fh]

0040106A 88 4D FC mov byte ptr [ebp-4],cl

11: a = p[1]

0040106D 8B 55 EC mov edx,dword ptr [ebp-14h]

00401070 8A 42 01 mov al,byte ptr [edx+1]

00401073 88 45 FC mov byte ptr [ebp-4],al

第一种在读取时直接就把字符串中的元素读到寄存器cl中，而第二种则要先把指针值读到edx中，在根据edx读取字符，显然慢了。

2.7小结：堆和栈的区别可以用如下的比喻来看出：使用栈就象我们去饭馆里吃饭，只管点菜（发出申请）、付钱、和吃（使用），吃饱了就走，不必理会切菜、洗菜等准备工作和洗碗、刷锅等扫尾工作，他的好处是快捷，但是自由度小。使用堆就象是自己动手做喜欢吃的菜肴，比较麻烦，但是比较符合自己的口味，而且自由度大。堆和栈的区别主要分： *** 作系统方面的堆和栈，如上面说的那些，不多说了。还有就是数据结构方面的堆和栈，这些都是不同的概念。这里的堆实际上指的就是（满足堆性质的）优先队列的一种数据结构，第1个元素有最高的优先权；栈实际上就是满足先进后出的性质的数学或数据结构。虽然堆栈，堆栈的说法是连起来叫，但是他们还是有很大区别的，连着叫只是由于历史的原因。

申请大小的限制栈：在Windows下,栈是向低地址扩展的数据结构，是一块连续的内存的区域。这句话的意思是栈顶的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的，在 WINDOWS下，栈的大小是2M（也有的说是1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间时，将提示overflow。因此，能从栈获得的空间较小。堆：堆是向高地址扩展的数据结构，是不连续的内存区域。这是由于系统是用链表来存储的空闲内存地址的，自然是不连续的，而链表的遍历方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。一、预备知识—程序的内存分配一个由c/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分

1、栈区（stack）— 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。其 *** 作方式类似于数据结构中的栈。2、堆区（heap）— 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表，呵呵。3、全局区（静态区）（static）—全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域， 未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。 - 程序结束后有系统释放4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放5、程序代码区(text)—存放函数体的二进制代码。

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