内存管理(Memory Management)是操作系统设计中最重要和最复杂的内容之一。虽然计算机硬件技术一直在飞速发展，内存容量也在不断增大，但仍然不可能将所有用户进程和系统所需要的全部程序与数据放入主存，因此操作系统必须对内存空间进行合理的划分和有效的动态分配。操作系统对内存的划分和动态分配，就是内存管理的概念。
内存管理的功能有：
创建进程首先要将程序和数据装入内存。将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几步：
程序的链接有三种方式：
内存在装入模块时也有三种方式：
逻辑地址空间与物理地址空间：
编译后，每个目标模块都从0号单元开始编址,这称为该目标模块的相对地址(或逻辑地址)。当链接程序将各个模块链接成个完整的可执行目标程序时，链接程序顺序依次按各个模块的相对地址构成统一的从 0号单元开始编址的逻辑地址空间。用户程序和程序员只需知道逻辑地址,而内存管理的具体机制则是完全透明的，只有系统编程人员才会涉及内存管理的具体机制。不同进程可以有相同的逻辑地址，因为这些相同的逻辑地址可以映射到主存的不同位置。
物理地址空间是指内存中物理单元的集合，它是地址转换的最终地址，进程在运行时执行指令和访问数据，最后都要通过物理地址从主存中存取。当装入程序将可执行代码装入内存时，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址,这个过程称为地址重定位。
内存分配前，需要保护操作系统不受用户进程的影响，同时保护用户进程不受其他用户进程的影响。内存保护可采取两种方法:
在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放用户作业在主存中的下限和上限地址，每当CPU要访问一个地址时，分别和两个寄存器的值相比，判断有无越界。
采用重定位寄存器(或基址寄存器)和界地址寄存器(又称限长寄存器)来实现这种保护。重定位寄存器含最小的物理地址值，界地址寄存器含逻辑地址的最大值。每个逻辑地址值必须小于界地址寄存器;内存管理机构动态地将逻辑地址与界地址寄存器进行比较，若未发生地址越界，则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址，再送交内存单元，如图所示：
当CPU调度程序选择进程执行时，派遣程序会初始化重定位寄存器和界地址寄存器。每个逻辑地址都需要与这两个寄存器进行核对，以保证操作系统和其他用户程序及数据不被该进程的运行影响。
单一连续分配
固定分区分配
动态分区分配：是一种动态划分内存的分区方法。这种分区方法不预先划分内存，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此，系统中分区的大小和数目是可变的。
动态分区分配的四种算法：
把主存空间划分为大小相等且固定的块，块相对较小，作为主存的基本单位。每个进程也以块为单位进行划分，进程在执行时，以块为单位逐个申请主存中的块空间。
分页存储的几个基本概念：
页面也页面大小
地址结构
地址结构包含两部分:前一部分为页号,后一部分为页内偏移量。地址长度为32位，其中0~11位为页内地址，即每页大小为4KB; 12-~31 位为页号，地址空间最多允许2的20次方页。
页表：为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，它记录页面在内存中对应的物理块号，页表一般存放在内存中。
地址转换
分页存储管理系统中的基本地址转换机构：
在系统中通常设置一个页表寄存器(PTR)， 存放页表在内存的起始地址F和页表长度M。进程未执行时，页表的始址和长度存放在进程控制块中，当进程执行时，才将页表始址和长度存入页表奇存器。设页面大小为L，逻辑地址A到物埋地址E的变换过程如下:
带有快表的地址转换机构：
在具有快表的分页机制中，地址的变换过程如下:
两级页表：二级页表实际上是在原有页表结构上再加上一层页表，建立多级页表的目的在于建立索引，以便不用浪费主存空间去存储无用的页表项，也不用盲目地顺序式查找页表项。
分页管理方式是从计算机的角度考虑设计的，目的是提高内存的利用率，提升计算机的性能。分页通过硬件机制实现，对用户完全透明。分段管理方式的提出则考虑了用户和程序员，以满足方便编程、信息保护和共享、动态增长及动态链接等多方面的需要。
分段存储方式和分页存储方式一样将逻辑地址划分为段号和段内偏移量，而且同样需要段表，段表项记录该段在内存中的始址和长度。
地址转换
页式存储管理能有效地提高内存利用率，而分段存储管理能反映程序的逻辑结构并有利于段的共享。将这两种存储管理方法结合起来，便形成了段页式存储管理方式。在段页式系统中,作业的地址空间首先被分成若干逻辑段，每段都有自己的段号，然后将每段分成若千大小固定的页。对内存空间的管理仍然和分页存储管理一样， 将其分成若干和页而大小相同的存储块，对内存的分配以存储块为单位。
为了实现地址变换，系统为每个进程建立一张段表， 每个分段有一张页表。 段表表项中至少包括段号、页表长度和页表始址，页表表项中至少包括页号和块号。此外，系统中还应有一个段表寄存器，指出作业的段表始址和段表长度(段表寄存器和页表寄存器的作用都有两个，一是在段表或页表中寻址，二是判断是否越界)。
地址转换如下：
局部性原理表现在以下两个方面：
虚拟存储器的定义：基于局部性原理，在程序装入时，将程序的部分装入内存， 而将其余部分留在外存，就可启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，系统好像为用户提供了一个比实际内存大得多的存储器，称为虚拟存储器。
虚拟内存技术的实现：
虚拟内存技术允许将一个作业分多次调入内存。采用连续分配方式时，会使相当一部分内存空间都处于暂时或“永久”的空闲状态，造成内存资源的严重浪费，而且也无法从逻辑上扩大内存容量。因此，虛拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。
请求分页系统建立在基本分页系统基础之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和页面置换功能。请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。在请求分页系统中，只要求将当前需要的部分页面装入内存，便可以启动作业运行。在作业执行过程中，当所要访问的页面不在内存中时，再通过调页功能将其调入，同时还可通过置换功能将暂时不用的页面换出到外存上，以便腾出内存空间。为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的内存及外存的计算机系统，还需要有页表机制、缺页中断机构和地址变换机构。
页面置换算法：
