記憶體管理與虛擬化技術

終於來到作業系統與 CPU 的最後一個筆記 ᕦ(ò_óˇ)ᕤ，本篇的學習目標是

目標：了解記憶體分配與虛擬化應用

在作業系統中，記憶體管理是非常重要的一環。由於物理記憶體有限，系統需要有效地分配與管理資源，確保應用程式能正常運作，同時避免資源浪費與衝突。

邏輯記憶體與實體地址 (Logical Memory & Physical Address)

1. 邏輯地址 (Logical Address)

• 由 CPU 產生的虛擬地址，應用程式使用的地址。

2. 實體地址 (Physical Address)

• 記憶體單元的實際地址，對應於實體記憶體（如 RAM）。

3. 地址轉換：Page Table & MMU

• Page Table (頁表)：
  就像 電影座位分配系統的資料庫，記錄了每位乘客的座位號碼與實際的座位位置。當有人選位時，系統檢查資料庫，確認是否有空位可分配。
• Memory Management Unit (MMU)：
  就像引導人員，當你進到電影院時時，它會根據系統的分配結果，即時將你引導到正確的座位。
• • 如果有臨時變動，它會即時重新調整，並將你導引到新的位置。

為什麼需要邏輯記憶體 (Logical Memory)?

1. 提供應用程式的簡單視角

• • 引入 邏輯記憶體，應用程式只需與簡單的虛擬地址打交道，不需知道資料實際儲存的位置。
  • 比喻： 就像訂機票時選擇座位，你只需選擇「邏輯上的座位號碼」，不用操心飛機上的實際空位如何安排。

2. 支援多工處理 (Multitasking)

• • 每個應用程式都擁有獨立的邏輯記憶體區域，作業系統負責將這些區域對應到實體記憶體，避免相互干擾。

4. 支援記憶體擴充 (虛擬記憶體管理)

• 問題： 當應用程式需要的記憶體超過實體記憶體時，系統必須想辦法解決。
• • 邏輯記憶體可以超過實體記憶體的容量，作業系統會啟用虛擬記憶體技術，將不常用的資料暫存到硬碟，並動態調整記憶體配置。

2. 分段與頁面管理 (Segmentation and Paging)

比喻：圖書館與書架管理

當作業系統管理記憶體空間時，必須決定如何分配應用程式所需的空間。以下用圖書館書架的比喻來解釋兩種常見的管理方式：

(1) 分段管理 (Segmentation)

• 場景：
• • 想像圖書館的書架分成固定的「段」，每個段用來放完整的書集。
  • 如果某個書集需要 5 個空間，但目前書架上只有兩個空格和三個空格分開的位置，即使加起來是 5 個空間，也無法放進書集，因為分段管理不允許分割。
• 應用：
• • 例如：一個簡報程式需要 5 個單位，但系統只剩下兩個和三個分開的空間，因此無法啟動。

Segmented, Paged and Virtual Memory

優點： 更容易管理大型應用程式，資料邏輯結構清晰。

缺點： 空間分散容易產生「記憶體碎片 (Fragmentation)」。

(2) 頁面管理 (Paging)

比喻：拆散的圖書館書籍

• 場景：
• • 如果圖書館允許將一本書拆成多個部分，儲存在不同的書架空格中，只要書目索引 能記錄每個部分的位置，就能正確找到整本書。
  • 例如：簡報程式需要 5 個單位，即使記憶體只剩下分散的空格，如兩個和三個單位的空間，也可以分開存放，並由 頁表 (Page Table) 記錄資料的位置。
• 應用：
• • 程式碼、資料段等都可以分頁處理，避免記憶體碎片。

優點： 更有效利用記憶體，幾乎不會浪費空間。

缺點： 頁表管理複雜，可能產生額外的處理時間。

3. 虛擬記憶體管理 (Virtual Memory Management)

當實體記憶體 (RAM) 不夠用時，作業系統會啟用虛擬記憶體，將不常用的資料暫時存到硬碟中，騰出空間給更急需的應用程式。

比喻：後台應用管理

場景：手機的應用程式管理

• 如果你同時打開了多個應用程式，手機的記憶體可能不夠。
• 作業系統會將不常用的應用程式「暫存到後台」，即存到硬碟中，讓 RAM 空出來。
• 當你切回這些應用程式時，系統會將它們 重新載入 (Page In)。

警告：磁碟風暴 (Disk Thrashing)

• 如果系統記憶體不足，頻繁地將資料從 RAM 存到硬碟，或從硬碟載回 RAM，系統效能會大幅下降，這種狀況稱為 磁碟風暴。

4. 虛擬記憶體與容器技術 (Virtual Memory & Containers)

比喻：雲端遊戲伺服器資源分配

當遊戲伺服器需要支援多個玩家或應用程式時，虛擬化技術會將伺服器資源分成多個「虛擬機 (VM)」或「容器 (Containers)」。

虛擬機 (VM) （這部分我還需要查資料，還是不太熟）

• 搬整個作業系統
• 伺服器將一整個虛擬作業系統分配給某個應用程式。
• 就像擁有自己的 遊戲機主機，能完整控制，但需要更高的資源與效能支援。

容器 (Containers)

• 比喻：遊戲伺服器內的專屬房間
• 容器只分配應用程式運行所需的基本資源，類似「遊戲伺服器的專屬房間」，節省資源，且啟動快速。

左邊是整個作業系統，右邊 container 只有應用程式

參考影片及圖片來源：

Virtual Machines vs Containers