16 | 划分土地（上）：如何划分与组织内存？
LMOS
该思维导图由 AI 生成，仅供参考
你好，我是 LMOS。
内存跟操作系统的关系，就像土地和政府的关系一样。政府必须合理规划这个国家的土地，才能让人民安居乐业。为了发展，政府还要进而建立工厂、学校，发展工业和教育，规划城镇，国家才能繁荣富强。
而作为计算机的实际掌权者，操作系统必须科学合理地管理好内存，应用程序才能高效稳定地运行。
内存管理是一项复杂的工作，我会用三节课带你搞定它。
具体我是这么安排的：这节课，我们先解决内存的划分方式和内存页的表示、组织问题，设计好数据结构。下一节课，我会带你在内存中建立数据结构对应的实例变量，搞定内存页的初始化问题。最后一节课，我们会依赖前面建好的数据结构，实现内存页面管理算法。
好，今天我们先从内存的划分单位讲起，一步步为内存管理工作做好准备。
分段还是分页
要划分内存，我们就要先确定划分的单位是按段还是按页，就像你划分土地要选择按亩还是按平方分割一样。
其实分段与分页的优缺点，前面 MMU 相关的课程已经介绍过了。这里我们从内存管理角度，理一理分段与分页的问题。
第一点，从表示方式和状态确定角度考虑。段的长度大小不一，用什么数据结构表示一个段，如何确定一个段已经分配还是空闲呢？而页的大小固定，我们只需用位图就能表示页的分配与释放。
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本文深入探讨了计算机内存管理的重要性，并将其比喻为政府规划土地的过程。作者首先介绍了内存划分的两种方式：分段和分页，并从表示方式、内存碎片利用、数据交换效率等角度比较了两种方式的优缺点，最终选择了分页模式管理内存。接着，文章详细介绍了如何表示一个页，提出了使用C语言结构体封装页的状态、地址、分配计数等信息的方法。通过实现msadsc_t结构体，作者展示了如何科学合理地管理内存页，以提高内存管理效率。此外，文章还介绍了内存区的概念和如何表示一个内存区的数据结构，以及如何组织内存页的方法。整体而言，本文深入浅出地介绍了内存管理的重要性和实现方法，对读者了解内存管理具有一定的指导意义。文章通过比对分段与分页的区别，确定了使用分页方式，设计了内存页、内存区等一系列数据结构，并解决了如何表示一个物理内存页的问题。同时，文章还探讨了为何要以2的（0～52）次方为页面数来组织页面的原因。整体而言，本文对内存管理的技术特点进行了深入剖析，为读者提供了全面的内存管理知识。
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neohope置顶memarea_t ，进行内存区，解决功能分区的问题 -> memdivmer_t ，进行内存分割合并管理 -> bafhlst_t，以2的n次方对内存页面进行分组 ->msadsc_t，解决单一页面管理问题 用2的N次方寻址主要有几方面原有： 1、内存对齐，提升CPU寻址速度 2、内存分配时，根据需求大小快速定位至少从哪一部分开始 3、内存分配时，并发加锁，分组可以提升效率 4、内存分配回收时，很多计算也更简单作者回复: 你好，总结的相当到位
2021-06-14349
嗣树neohope 老哥学习榜样，我做点补充吧。 之所以是 0-52 是因为 64 - 12 = 52，64位地址，12是页大小 而选用 2 的幂次可以把算术运算都转化为位操作，位操作是要比算术运算快的。应用层可能为了可读性而不去使用位操作，但是在内核中只要是需要性能都会往这方面靠，所以往往会浪费点空间凑个整。1024凑整没毛病嗷😂 内存管理也是绝对的高频操作，这样差别还是很可观的。作者回复: 是的
2021-06-25221
pedro对于思考题，原文中： 依次类推，dm_mdmlielst 数组挂载连续 msadsc_t 结构的数量等于用 1 左移其数组下标，如数组下标为 3，那结果就是 8（1<<3）个连续的 msadsc_t 结构。 因此页面数统统都是 2 的倍数，8 是 2^3，这个地方我百思不得其解，页面数为什么是 2 的倍数，在 tmalloc 中，分配的对象大小都是 2 的倍数，原因是为了减少内存碎片和对齐，虽然这与本文的问题不搭边，但是可以拿来套。 因此我猜测，由于页的大小是 2 的倍数，因此页的个数也要是 2 的倍数，这样就能实现页内存对齐，减少内存分配时的碎片。作者回复: 是的，这么操作 同时也是为了降低内存碎片
2021-06-1410
太阳文中说 “很多时候，内核使用内存需要大的、且连续的物理内存空间” 还有 “但是第一个 msadsc_t 结构与最后一个 msadsc_t 结构，它们之间的内存物理地址是连续的。”，为什么需要物理内存连续，既然可以通过MMU进行地址转换，是否可以只是虚拟内存连续，物理内存随意？内存管理的时候虚拟内存和物理内存分别怎么操作？作者回复: 你说的对，原则上我们确实只需保证虚拟地址连续，然后通过MMU映射就好了，但是很多物设备也要访问物理内存，但是它们地址并不经过MMU，这类设备有DMA，网卡，AHCI等等，所以有些情况就需要连续的物理内存空间
2021-08-234
thomastypedef struct s_BAFHLST 这个命名是什么的缩写？ 比如msadsc_t 这个命名就有做说明 内存空间地址描述符（memory space address descriptor）作者回复: block alloc free head list
2021-06-2132
Zhendicai思考题应该是因为 dm_mdmlielst最后一个元素的下标是51也就是2^51, 2^51 x 2^12=2^63, 就是说这时只需要两个bafhlst_t就能够表示完整的地址空间， 再多的话就超过了64位地址空间了。如果dm_mdmlielst再加一个元素的话 那就只需要一个bafhlst_t就能表示完整地址空间 但是没啥意义了 应该是这样的吧作者回复: 对的，是这样的
2021-06-1922
PAWCOOK请问在二级引导器中建立内核MMU的页表数据时使用的是长模式下的 2MB 分页方式，而本节内存管理使用的却是4KB，这样是不是冲突了呢作者回复: 后面会改掉的
2022-02-111- PAWCOOK请问结构memdivmer_t有什么作用呢？我们可不可以直接将这个结构里面的内容放到memarea_t 中去
作者回复: 可以啊
2021-11-271 
Mike_Han这是原文中的内容，我想请教个问题， "需要注意的是，我们并不在意其中第一个 msadsc_t 结构对应的内存物理地址从哪里开始，但是第一个 msadsc_t 结构与最后一个 msadsc_t 结构，它们之间的内存物理地址是连续的。" 怎么做到"第一个 msadsc_t 结构与最后一个 msadsc_t 结构，它们之间的内存物理地址是连续的" ，怎么做到连续的？作者回复: 由代码控制的
2021-07-081
Fan思考题: 我们为什么要以 2 的（0～52）次方为页面数来组织页面呢？ 应该是 内存分配时，根据需求大小快速定位至少从哪一部分开始作者回复: 嗯嗯 猜对了
2021-06-271
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