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操作系統 - 內存管理
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任何操作系統的運行都是在玩 ++**內存遊戲**++，所以學習 Android 系統也要了解一下 **Linux Kernel 的管理機制**

[TOC]

## 概述
內存管理有以下幾個重點，接著會以這幾個重點說明

1. **虛擬內存**
2. **內存分配 ＆回收**
3. **內存保護**

## 虛擬內存 - Virtual Memory
* 現在很多應用動不動就會用到幾 G 的記憶體（Android studio 就是），要如何才能滿足每個應用呢？
1. 最直接的方式就是擴大物理內存（但不是每個人都 ＄，所以該方法不太可靠）
2. 虛擬內存，虛擬內存的出現是為了大應用程式的運行，基本思想是
* 將外部儲存器的部份空間作為內存拓展（從硬體切割出部份）
* 當內存資源不足時，系統會按照一定算法自動挑選 **優先級低的數據塊，將這些 ++不常用的++ 數據存到硬碟中**
* 後續若需要用到硬碟中的數據，則系統則會產生 **==缺頁指令==**，並把數據交換為到內存（跟另一個不常使用的數據交換位置）
* 這些操作都是由操作系統內核自動完成

### 邏輯地址 轉 物理地址 - 過程
* 對於開啟段頁式內存管理的裝置而言，**邏輯地址必須經過 ==2 次== 轉換最終才能到達真正的物理地址**

* 接下來會說說明 **邏輯地址**、**線性地址**（分段機制）、**物理地址**

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:::info
* 補充

早期機器並沒有任何虛擬地址的概念（早期為 ++**實模式**++ 管理，像是 RTOS），所以為了兼容早期作業系統，裝置在開機時仍使用 **實模式**，直到系統做好準備工作後才切換到相應的 ++**保護模式**++
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### 邏輯地址 - Logical Address
* 邏輯地址也稱為 **相對地址**，是 **程序編譯後產生的地址**，邏輯地址分為兩個部份組成，^1^ **Segment Selector(段選擇器)** 、^2^ **Offset(位移)**

1. `Segment Selector`(段選擇器)：用於描述邏輯地址的位置（段），**16bit**，格式如下
1. TI（Table Indicator）：**用於紀錄各種段描述 Segment Descriptor**，有 0.GDT（Global Descriptor Table）、1.LDT（Local Descriptor Table）
2. INDEX：儲存 GDTR、LDTR 的 **序號**，**TI 用來描述 INDEX**
3. RPL（Request Privilege Level 特權要求）
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:::success
* 補充
GDT 是全局有效，同時系統也允許各自進程創建自己的本地表（LDT）以增加額外的段
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2. Offset(位移)：描述偏移量，**32bit**（CPU 提供了專用的暫存器來紀錄 段選擇器，如下表）

| 暫存器名稱 | 描述 |
| -------- | -------- |
| CS | Code Segment Register，代碼 段暫存器 |
| DS | Data Segment Register，全局 or 靜態數據 段暫存器 |
| SS | Stack Segment Register，堆棧 段暫存器 |
| ES | Extra Segment Register，附加數據 段暫存器 |
| FS | 通用段暫存器 |
| GS | 通用段暫存器 |

### 線性地址 - Linear Address - 分段機制
* **內存地址是經過 ++分段機制++ 轉換形成的**，其思想如下
1. 根據段選擇子（Segment Selector）中的 TI 得知 Index 字符存在 GDT or LDT 中（如上圖）
2. 通過 Index 的儲存的 GDTR or LDTR 獲得 GDT/LDT 儲存地址（Table 的序號）
3. 到 GDT/LDT table 中找到對應的 **段描述**
4. 根據段描述獲得此段此段的 **基地址**
5. 使用在 table 中找到的基地址 + Offset 偏移量，最後就獲得了 線性地址

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### 物理地址 - Physucal Address - 分頁機制
* 任何的操作系統，最終都要通過真實的物理地址來訪問內存，以 64KB 內存而言就是 0x0000 ~ 0xFFFF 的地址範圍

> 0xFFFF = (2 Bytes) = (2^16^ - 1) = (65536 - 1)

* **分頁機制**
1. 頁（虛擬）：與分段機制不同的是，分頁機制的操作對象是 **==固定大小的內存塊==**，這種內存塊又稱為 **`頁`**，**一般情況下頁的大小是 4KB**
2. 頁框（物理）：與頁的概念對應，**頁框是對物理內存的最小操作單位**，與頁必須一致

* 下圖 Memory 中存在 4 個頁框（藍色），而線性地址(綠色)會對應到這些物理頁框中，而沒有對應的的頁面（2, 5 頁），則會存在硬碟中
* 當需要 2, 5 頁時系統就會產生 **==缺頁==** 並從硬碟中把需要的資料拿回來，放到頁框中（若是 4 個都滿了，則會取 4 個中最少使用到的頁面轉到硬碟中）

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## 保護內存 - Memory Protention
內存越界 or Bug or 程式攻擊，都有可能讓系統中的數具被破壞，保護方法就有如上面說的虛擬內存（每個進程的邏輯地址 ＆ 物理地址不會相互對應，讓進程每辦法訪問到其管轄空間以外的物理內存）

### 內存分配 ＆ 回收
* 內存管理是應用程式最關心的，換句話說就是應用程序開發者 ＆ 系統的交界點
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* 以下提及部份 Linux Kernel 所面對的核心問題
1. 保證硬體無關性
跟硬體有相關的內存型號、大小、架構 差異不能影響到 應用程式
2. 動態分配內存 ＆ 回收
像是，如何劃分內存區塊、分配粒度（最小單位）、如何管理和區別以使用 ＆ 尚未使用的內存、如何回收內存
3. 內存碎片
如果內存平凡的分配、回收而沒有整理碎片則會導致內存無法正常被使用（使用內存需要使用連續區塊）

* Android 回收內存有分為 ^1^ Native 層、^2^ Java 層
1. Native：像是 c++ 的 malloc/free ＆ new/delete 這種就是手動管理內存，但若系統變大並且程式變多則很容易產生野指針（不易管控），**後來就選用 ++智能指針++**
2. Java：Java 則不須太擔心這個問題，因為底層已經幫你解決調很多這方面的問題

## Appendix & FAQ

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###### tags: `Android 系統` `mmap`