周志遠教授的作業系統 詳細的文字整理請參考 作業系統 CH8 Memory Management。

以下內容由 Claude 3.5 Sonnet 解釋作業系統的記憶體和磁碟操作。

1. 基本組件：

   a) 實體記憶體（RAM）：

   • 快速但容量有限的存儲空間
   • 用於存儲正在執行的程序和數據

   b) 虛擬記憶體：

   • 一種抽象概念，為每個程序提供看似連續的大容量記憶體空間
   • 實際上結合了實體記憶體和磁碟空間

   c) 磁碟：

   • 大容量但相對較慢的持久存儲設備
   • 用於長期存儲數據和程序

   d) 交換空間（Swap Space）：

   • 磁碟上的特定區域，用作虛擬記憶體的擴展

2. 記憶體管理：

   a) 分頁系統：

   • 將實體和虛擬記憶體劃分為固定大小的頁面
   • 通常每頁大小為 4KB 或 8KB

   b) 頁表：

   • 維護虛擬頁面到實體頁面的映射
   • 由記憶體管理單元（MMU）使用來進行地址轉換

   c) 按需分頁（Demand Paging）：

   • 只有當程序需要訪問某個頁面時，才將其載入實體記憶體
   • 提高記憶體使用效率

3. 進程執行流程：

   a) 程序載入：

   • 從磁碟讀取程序到記憶體
   • 為程序分配虛擬地址空間

   b) 執行：

   • CPU 通過虛擬地址訪問數據
   • MMU 將虛擬地址轉換為實體地址

   c) 頁面錯誤（Page Fault）：

   • 當訪問的頁面不在實體記憶體中時發生
   • 觸發作業系統從磁碟加載所需頁面

4. 交換機制：

   a) 頁面置換：

   • 當實體記憶體不足時，將不常用的頁面移到交換空間
   • 使用頁面置換算法（如 LRU、Clock 算法）決定哪些頁面被置換

   b) 頁出（Page-out）：

   • 將頁面從實體記憶體寫入交換空間

   c) 頁入（Page-in）：

   • 將頁面從交換空間讀回實體記憶體

5. 檔案系統操作：

   a) 緩存機制：

   • 使用部分實體記憶體作為檔案系統緩存
   • 加速檔案讀寫操作

   b) 寫回（Write-back）：

   • 修改的數據首先寫入緩存
   • 稍後再批量寫入磁碟，提高效率

   c) 預讀（Prefetching）：

   • 預測並提前讀取可能soon需要的數據到記憶體

6. 記憶體保護：

   • 每個進程擁有獨立的虛擬地址空間
   • 使用硬體支持（如 MMU）確保進程間的隔離
   • 防止未授權的記憶體訪問

7. 性能優化：

   a) 記憶體壓縮：

   • 壓縮不常用的記憶體頁面，而不是將其移到交換空間

   b) 大頁面（Huge Pages）：

   • 使用更大的頁面大小，減少頁表項，提高 TLB 效率

   c) NUMA（非統一記憶體訪問）：

   • 在多處理器系統中優化記憶體訪問

8. 實際運作示例：

假設您正在使用一個文字處理器編輯大型文檔：

1. 打開程序：

   • 作業系統從磁碟讀取程序代碼到記憶體
   • 為程序分配虛擬記憶體空間

2. 載入文檔：

   • 初始只載入文檔的一部分到記憶體
   • 其餘部分保留在磁碟上

3. 編輯操作：

   • 當您編輯可見部分時，修改直接在記憶體中進行
   • 滾動到新部分可能觸發頁面錯誤，從磁碟載入新數據

4. 後台操作：

   • 如果系統記憶體不足，可能會將其他不活躍程序的頁面移到交換空間
   • 文字處理器的自動保存功能可能會定期將更改寫入磁碟

5. 保存文檔：

   • 更改首先寫入檔案系統緩存
   • 然後在適當的時機寫入磁碟

這個複雜的系統確保了高效的資源利用，提供了良好的用戶體驗，同時平衡了有限的實體資源和潛在的大量數據需求。作業系統不斷在速度（記憶體訪問）和容量（磁碟存儲）之間尋找最佳平衡，以提供流暢的計算體驗。