存储器的内 外碎片怎样解决

在计算机系统中，内存碎片是影响存储效率的常见问题，分为内碎片和外碎片两种类型，它们的产生机制不同，解决方法也各有差异，本文将从技术原理和实际应用角度,详细解析如何解决这两种碎片问题。

什么是内碎片和外碎片？

• 内碎片（Internal Fragmentation）
  指已分配给进程的内存块中未被使用的部分，系统为某个进程分配了固定大小的内存块（如128KB），但进程实际仅使用了70KB，剩余的58KB就成为内碎片。
  常见场景：固定分区分配、静态内存分配、预分配策略。

• 外碎片（External Fragmentation）
  指内存中散布的多个小块空闲内存，这些碎片总和可能足够大，但单独无法满足大进程的需求。
  常见场景：动态内存分配（如首次适应算法、循环首次适应算法）。

内碎片的解决方法

动态分区分配

根据进程实际需求分配内存，而非固定大小，进程申请70KB内存时，系统直接分配70KB而非固定块，从而减少浪费。
局限性：频繁分配与释放可能导致外碎片。

分页机制（Paging）

将物理内存划分为固定大小的页框（如4KB），进程的地址空间也划分为相同大小的页，通过页表映射，进程按需分配页框，减少固定块分配的浪费。
优势：通过页对齐降低内碎片，且便于内存管理。
应用实例：现代操作系统的虚拟内存管理。

内存对齐优化

调整内存分配时的对齐策略，根据数据类型（如4字节对齐）合理规划内存分配单元,避免因对齐要求而产生冗余空间。

外碎片的解决方法

内存压缩（Memory Compaction）

将已分配的内存块“移动”到物理内存的一端，合并零散的空闲区域，形成连续大块内存。
代价：压缩过程需要暂停进程运行,可能影响实时性系统。

分段机制（Segmentation）

按逻辑单位（如代码段、数据段）分配内存，每个段独立管理，进程的地址空间由多个段组成，通过段表动态映射，减少外部碎片的产生。
优势：更符合程序逻辑,灵活性强。

伙伴系统（Buddy System）

将内存划分为2的幂次大小的块（如1KB、2KB、4KB等），当分配内存时，若找不到合适的块，则将大块一分为二（称为“伙伴”）；释放时，若相邻块为空闲，则合并为更大的块。
优势：合并效率高，适合管理物理内存。
应用实例：Linux内核的内存管理。

虚拟内存技术

通过页表映射将物理内存与磁盘空间结合，进程的虚拟地址空间可以远大于物理内存，当物理内存不足时，将不常用的页换出到磁盘，减少外碎片对物理内存的影响。
关键技术：页面置换算法（如LRU、FIFO）。

综合解决方案

现代操作系统通常采用多级分页与分段结合的策略，配合虚拟内存和动态分配算法（如Slab分配器、伙伴系统），同时应对内、外碎片问题。

1. Linux系统：采用伙伴系统管理物理页框,Slab分配器管理内核对象缓存。
2. Windows系统：使用虚拟地址空间映射和动态内存池,结合内存压缩技术优化碎片。

• 内碎片的解决核心是按需分配和对齐优化，减少固定块分配带来的浪费。
• 外碎片的解决依赖于内存合并机制（如压缩、伙伴系统）和地址空间抽象（如虚拟内存）。
• 实际系统中，需结合硬件特性与软件算法,在内存利用率和管理开销之间平衡。

参考资料

1. 《操作系统概念》（Abraham Silberschatz 等）
2. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
3. Linux Kernel Documentation: Memory Management
4. Microsoft Docs: Windows Memory Management