分段（Segmentation）

按逻辑划分内存，每个段对应程序的一个逻辑单元（代码段、数据段、栈段等）。

  • 地址 = 段号 + 段内偏移
  • 段长度可变，符合程序逻辑结构
  • 优点：便于共享和保护（比如代码段只读）
  • 缺点：外部碎片——段大小不一，内存里会出现零散的空洞，难以利用

分页（Paging）

把物理内存和虚拟地址空间都切成固定大小的块（页框/页，通常 4KB）。

  • 地址 = 页号 + 页内偏移
  • 通过页表把虚拟页号映射到物理页框号
  • 优点：无外部碎片，内存利用率高
  • 缺点：内部碎片（最后一页可能没用满）；页表本身占内存，多级页表解决大地址空间问题

TLB（快表）：页表查询要访问内存，太慢。TLB 是硬件缓存，缓存最近用过的页表项，命中率通常 >99%，大幅加速地址转换。

段页式

结合两者：先分段，每段再分页。兼顾逻辑清晰和物理高效，现代 x86 基本就是这个模型（但 Linux 把段都设成 0 基址，实际上退化成纯分页）。

虚拟内存

核心思想：程序不需要全部装入内存才能运行，只把当前用到的页加载进来，其余放在磁盘（swap）。

  • 每个进程有独立的虚拟地址空间，互相隔离
  • 访问不在内存的页 → 缺页中断（Page Fault） → OS 从磁盘调入该页
  • 如果内存满了，需要先置换一个旧页出去

好处：

  • 程序可以比物理内存大
  • 进程隔离，安全
  • 多进程共享物理内存（写时复制 COW）

页面置换算法

内存满了，选哪个页换出去？

算法 思路 特点
OPT（最优） 换出未来最长时间不用的页 理论最优，实际不可实现（无法预知未来），用于评估基准
FIFO 换出最早进入内存的页 实现简单，但可能换出常用页；有 Belady 异常（增加页框反而缺页率上升）
LRU（最近最少使用） 换出最久没被访问的页 性能接近 OPT，工程常用；精确实现需要时间戳或链表，开销较大
Clock（时钟/二次机会） 给每页一个访问位，循环扫描，访问位为 1 则清零跳过，为 0 则换出 LRU 的近似实现，开销小，Linux 实际使用的是改进版
LFU（最不常用） 换出访问次数最少的页 对突发访问不友好，历史计数可能失真

工程实际：Linux 用的是改进版 Clock（active/inactive 两个链表），近似 LRU，兼顾性能和开销。

总结

分段解决逻辑组织，分页解决物理碎片，虚拟内存让程序突破物理内存限制，页面置换算法决定内存满时踢谁出去——LRU 最常用，Clock 是工程近似。