简单易懂，什么是连续分配管理方式

连续分配管理方式。这个策略的核心思想非常直观：要给一个进程分配内存，就必须给它一整块连续的、没有被分割的内存空间。

我们用一个非常贴切的比喻来理解这几种方式的演进：一个电影院的座位安排。

• 内存：电影院里的所有座位。
• 进程：一个个想要看电影的观众（或观影团体）。
• 分配内存：给观众安排座位。

1. 单一连续分配 - “包场”模式

这是最古老、最简单的座位安排方式。

• 工作方式：
  • 整个电影院被简单地划分为两个区域：“员工专用区” (系统区) 和 “观众席” (用户区)。
  • 任何时候，只允许**一个观影团体（一个用户程序）**进入“观众席”。这个团体可以独占所有的观众座位，无论他们来了多少人。
• 优点：
  • 管理简单：管理员只需要记录“有人”或“没人”，无需复杂的座位表。
  • 无外部碎片：因为要么整个观众席都被占用，要么都空着，不会出现“座位之间有零散空位，但坐不下新团体”的情况。
• 缺点：
  • 利用率极低：如果只来了一个人看电影，他也占了整个观众席，其他几百个座位都空着浪费了。
  • 产生内部碎片：分配给团体的空间（整个观众席）远大于其实际需要的空间（只来了一个人），这些已分配但未被使用的空间，就叫做内部碎片。
  • 不支持并发：一次只能服务一个团体，效率低下。

一句话总结：简单粗暴的包场模式，只适用于早期的单用户、单任务系统。

2. 固定分区分配 - “包厢”模式

为了提高利用率，电影院老板决定进行改造，引入“包厢”的概念。

• 工作方式：
  • 在营业前，老板就把整个观众席划分成了若干个大小固定的“包厢”（分区）。
  • 每个包厢一次只能给一个观影团体使用。
  • 管理员手里有一张**“包厢登记表”（分区说明表）**，记录了每个包厢的大小、位置和是否有人。
• 两种包厢设计：
  • 大小相等：所有包厢都一样大。比如都设为5人座。管理简单，但缺乏灵活性（来6个人的团体就坐不下，来2个人的团体就浪费3个座位）。
  • 大小不等：有2人座、5人座、10人座等多种包厢。灵活性稍高，可以根据团体人数安排一个“差不多”大小的包厢。
• 优点：
  • 支持多道程序：可以同时服务多个观影团体，大大提高了电影院的并发度。
  • 实现简单，无外部碎片：因为包厢是预先划好的，不会产生无法利用的零散座位。
• 缺点：
  • 产生内部碎片：一个3人的团体被安排进一个5人座的包厢，就会浪费2个座位。这种包厢内部的浪费，就是内部碎片。
  • 缺乏灵活性：如果来了一个20人的超大团体，而最大的包厢只有10人座，那这个团体就无法入场（除非他们愿意分开坐，但这不符合“连续分配”的原则）。

一句话总结：预设好的包厢模式，支持了并发，但因大小固定而导致浪费和不灵活。

3. 动态分区分配 - “自由隔断”模式

为了追求极致的灵活性和利用率，电影院老板采用了最先进的“自由隔断”模式。

• 工作方式：
  • 整个观众席一开始是一整块连续的空闲区域。
  • 当一个5人的团体到来时，管理员会现场从空闲区域中划出刚刚好5个座位给他们，并用隔板围起来，形成一个临时分区。
  • 剩下的区域仍然是连续的空闲区。
  • 管理员手里有一张**“空闲座位区登记表/链表”**，动态记录着哪些区域是空闲的。
• 核心挑战：
  • 分配算法：如果有很多块不连续的空闲区域，该从哪一块里划座位呢？（这是下一节的重点，比如首次适应、最佳适应等）。
  • 回收与合并：当一个团体离场后，管理员拆掉隔板。如果他发现这个刚空出来的区域，恰好和旁边的另一个空闲区域是相邻的，他就会把中间的隔板也拆掉，合并成一个更大的连续空闲区。
• 优点：
  • 几乎没有内部碎片：因为是按需分配，分配的空间大小和进程需求几乎完全一样，非常节约。
• 缺点：
  • 产生外部碎片：这是它的致命弱点。经过多次的分配和回收，整个观众席可能会变成这样：空位(2), 已占(5), 空位(3), 已占(8), 空位(4)... 虽然空位总数很多（2+3+4=9），但此时如果来一个6人的团体，却找不到任何一块连续的空闲区域能容纳他们。这些总和很大但自身太小而无法利用的零散空闲区域，就叫做外部碎片。
  • 紧凑技术：为了解决外部碎片，管理员可以发起一次“大挪移”（紧凑）：让所有在场的观众都往前坐，把后面的零散空位合并成一个大的连续空位。但这需要所有观众都能灵活地移动座位（进程支持动态重定位），且“大挪移”本身非常耗时。

一句话总结：按需分配，利用率高，但会产生难以利用的“外部碎片”。

内部碎片 vs. 外部碎片：一个形象的区分

• 内部碎片 (Internal Fragmentation)：
  • 成因：分配单位（如固定分区）大于请求大小。
  • 比喻：你买了一整瓶500ml的矿泉水（分配单位），但只喝了300ml（请求大小），瓶子里剩下的200ml水，就是内部碎片。这瓶水已经被你占有了，别人不能喝，但你自己也不喝了。
• 外部碎片 (External Fragmentation)：
  • 成因：多次分配回收后，产生大量不连续的小空闲块。
  • 比喻：你的桌子上堆满了书，书与书之间有很多零散的空隙。把所有空隙加起来，可能能放下一本大字典，但没有任何一个单独的空隙足够大。这些“无法利用的空隙”，就是外部碎片。

必会题与详解

题目一：请解释什么是内部碎片和外部碎片，并说明固定分区分配和动态分区分配各会产生哪种碎片，为什么？

答案详解：

1. 定义：

   • 内部碎片：指已经分配给进程的内存空间中，进程未使用的部分。它存在于一个已分配区域的“内部”。
   • 外部碎片：指内存中那些因为太小而无法分配给任何进程的空闲内存区域。它存在于已分配区域的“外部”。

2. 成因分析：

   • 固定分区分配产生内部碎片：因为这种方式预先将内存划分为固定大小的分区。当一个进程需要内存时，系统会分配一个大小大于或等于其需求的分区。如果分区大小严格大于进程需求，那么多出来的这部分空间就属于该进程，但不会被使用，从而形成了内部碎片。它不会产生外部碎片，因为分区大小是固定的，不会有比最小分区还小的空闲块。
   • 动态分区分配产生外部碎片：因为这种方式是按进程实际需求大小来分配内存的。经过多次分配和回收后，内存中会留下许多不连续的小块空闲区。这些空闲区单独来看可能都无法满足新进程的需求，但它们加起来的总和可能很大。这些无法被利用的空闲小块就是外部碎片。它几乎不产生内部碎片，因为是按需分配的。

题目二：在动态分区分配中，当回收一个已分配的分区时，为什么要检查其是否与相邻的空闲分区合并？

答案详解：

检查并合并相邻空闲分区是为了减少外部碎片，提高内存利用率。

如果不进行合并，那么每次回收内存时，都只会在内存中增加一个与被回收进程同样大小的小空闲块。随着系统的运行，这将导致内存中充满大量不连续的、细碎的空闲分区。这些小分区很难满足新进程（尤其是较大进程）的分配请求，即使它们的总和很大，也无法被有效利用，这就是外部碎片问题。

通过在回收时主动检查并合并相邻的空闲分区，可以将两个或三个小空闲块合并成一个大的、连续的空闲块。这个大的空闲块能够满足更多进程的分配需求，从而显著地提高了内存的整体利用率，缓解了外部碎片问题。

题目三：什么是“紧凑”（Compaction）技术？它主要用于解决哪种内存分配方式的什么问题？使用该技术需要什么样的硬件支持？

答案详解：

1. 定义：“紧凑”技术是指操作系统通过移动内存中各个进程的位置，将所有分散的空闲分区拼接成一个大的、连续的空闲区的过程。

2. 解决的问题：它主要用于解决动态分区分配方式中产生的外部碎片问题。

3. 需要的硬件支持：使用紧凑技术的一个关键前提是，进程在内存中的物理位置可以被改变。这意味着程序在编译链接时不能使用绝对地址。系统必须采用动态重定位的地址转换方式。这需要硬件支持，即必须有重定位寄存器（基址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）。当一个进程被移动后，操作系统只需要修改其在重定位寄存器中存放的物理起始地址，程序就可以在新的位置上继续正确运行，而无需修改程序代码中的任何地址。