連續記憶體配置（Contiguous Memory Allocation）

在早期作業系統中，連續記憶體配置是最直觀且基礎的記憶體管理方式。其核心概念是：當一個程序（Process）需要執行時，作業系統必須在主記憶體中找到一塊連續且足夠大的空間，將該程序的完整內容（包含程式碼、資料、堆疊等）一次性載入。一旦分配，該程序在執行期間會固定在該位置，直到執行結束後才會釋放。

這種配置方式將整體記憶體空間劃分成兩大部分：

• 作業系統區 (OS Area)：通常位於記憶體的高位址或低位址，存放作業系統核心、中斷向量、I/O 驅動程式等關鍵部分。這塊區域受到保護，使用者程式無法直接存取。
• 使用者程式區 (User Area)：剩餘的空間則提供給所有使用者程序使用。

記憶體保護(Memory Protection)

如果沒有保護機制，任何程式都可以去存取不屬於它的記憶體區塊，造成：資料毀損、系統崩潰、安全性漏洞。
保護的方式則是利用兩個特殊硬體暫存器：

1. Relocation Register（基底暫存器）：紀錄此 process 的起始實體位址，所有邏輯位址都會加上這個值，轉換成實體位址
2. Limit Register（範圍限制暫存器）：紀錄此 process 可用的記憶體長度。若存取超出範圍，系統會觸發錯誤（trap）。

在多工系統中，每個 process 都有自己的 relocation 與 limit 值，Context Switch 時，作業系統會載入新的 relocation/limit 暫存器。保證每個 process 只能存取自己分配到的記憶體區域。

記憶體分配（Memory Allocation）

當系統執行多個程式時，必須將有限的主記憶體分配給不同的 process 使用。早期「連續記憶體配置」中，整個使用者空間是一個大洞（hole），OS 需動態決定如何劃分這塊記憶體給各 process。

記憶體分配運作流程：

1. OS 尋找一個足夠大的洞（hole），可容納即將進入的 process
2. 分割出一塊記憶體 給該 process
3. 剩餘部分保留成新的洞
4. 當 process 結束，釋放記憶體 → 形成新的洞
5. 如果釋放的洞與相鄰洞相連 → 合併（merge） 成較大的洞

洞的選擇策略（Hole Selection）

1. First Fit（首次適應法）：
   從記憶體低位址開始找，找到第一個符合大小的洞就使用
   實作簡單、搜尋速度快（不用找完整個表）；但會留下許多小而零散的碎塊（external fragmentation），容易造成記憶體「前段碎裂」

2. Best Fit（最佳適應法）
   找最接近 process 需求大小的洞（即最小且能放得下的洞）
   優點是減少立即浪費的空間，缺點是需要掃描所有洞，速度慢，且容易留下許多很小的洞，長期下來不一定最佳。

3. Worst Fit（最差適應法）
   找最大的一個洞，把 process 放進去。
   優點是放完後剩餘的洞也會比較大，未來更有機會利用。缺點是容易浪費大洞空間，效率不佳，配置結果不穩定。

Fragmentation（記憶體碎裂問題）

當作業系統採用 連續記憶體配置 時，記憶體經過反覆的分配與釋放，會出現許多無法有效利用的空洞，導致記憶體雖然總量足夠，但卻無法提供一塊連續區塊給新的 process。這種「可用但無法利用」的空間浪費，稱為 碎裂（Fragmentation）。

External Fragmentation（外部碎裂）

外部碎裂指得是記憶體被切割成許多小洞（holes），雖然「總剩餘記憶體」足以放下新 process，但沒有一塊連續區塊能容納它。最壞情況是每兩個 process 之間都夾著一小段無法使用的洞。

50% 規則：
經驗法則：當系統有 N 個已分配區塊時，外部碎裂會額外產生約 0.5N 個小洞。
換算後，約有 1/3 的記憶體空間被浪費。

Internal Fragmentation（內部碎裂）

內部碎裂指得是當分配給 process 的記憶體區塊大於實際需求，多出的部分無法被利用，就造成內部浪費。

解法 01：Compaction（壓縮）

將已分配的區塊往一側搬移，把所有小洞集中在一起，合併成一個大洞，方便未來配置。

流程：

1. 動態搬移記憶體中的 process。
2. 更新 relocation register，讓 process 的邏輯位址對應新的實體位址。
3. 最後獲得一塊較大的連續空間。

缺點：

• 成本高（需大量資料搬移）
• 系統執行中壓縮會拖慢效能
• 需硬體支援 動態位址重配置（Dynamic Relocation）

解法 02：非連續分配（Noncontiguous Allocation）

不要求整個 process 放在連續區塊中。而是把 process 拆成多個部分，放在不同記憶體位置。但這也需要硬體（MMU）與更複雜的位址轉換支援。

因此後續會提到以下兩種技術來完成非連續分配（Noncontiguous Allocation）：

1. Paging（分頁）：將記憶體切成固定大小的頁框（frames），process 拆成頁（pages）分散配置。
2. Segmentation（分段）：依照程式結構（程式碼段、資料段、堆疊段）分散配置。

優點：

• 不再需要大型連續空間
• 徹底消除外部碎裂問題