記憶體碎片

採用分區式存儲管理的系統，在儲存分配過程中產生的、不能供用戶作業使用的主存里的小分區稱成“記憶體碎片”。記憶體碎片分為內部碎片和外部碎片。

基本介紹

• 中文名：記憶體碎片
• 外文名：memory fragmentation
• 說明：不能被利用的記憶體空間
• 處於：區域內部或頁面內部
• 性質：存儲塊

產生

記憶體分配有靜態分配和動態分配兩種。
靜態分配在程式編譯連結時分配的大小和使用壽命就已經確定，而套用上要求作業系統可以提供給進程運行時申請和釋放任意大小記憶體的功能，這就是記憶體的動態分配。
因此動態分配將不可避免會產生記憶體碎片的問題，那么什麼是記憶體碎片？記憶體碎片即“碎片的記憶體”描述一個系統中所有不可用的空閒記憶體，這些碎片之所以不能被使用，是因為負責動態分配記憶體的分配算法使得這些空閒的記憶體無法使用，這一問題的發生，原因在於這些空閒記憶體以小且不連續方式出現在不同的位置。因此這個問題的或大或小取決於記憶體管理算法的實現上。

為什麼會產生這些小且不連續的空閒記憶體碎片呢？

實際上這些空閒記憶體碎片存在的方式有兩種：a.內部碎片 b.外部碎片 。
內部碎片的產生：因為所有的記憶體分配必須起始於可被 4、8 或 16 整除（視處理器體系結構而定）的地址或者因為MMU的分頁機制的限制，決定記憶體分配算法僅能把預定大小的記憶體塊分配給客戶。假設當某個客戶請求一個 43 位元組的記憶體塊時，因為沒有適合大小的記憶體，所以它可能會獲得 44位元組、48位元組等稍大一點的位元組，因此由所需大小四捨五入而產生的多餘空間就叫內部碎片。
外部碎片的產生： 頻繁的分配與回收物理頁面會導致大量的、連續且小的頁面塊夾雜在已分配的頁面中間，就會產生外部碎片。假設有一塊一共有100個單位的連續空閒記憶體空間，範圍是0~99。如果你從中申請一塊記憶體，如10個單位，那么申請出來的記憶體塊就為0~9區間。這時候你繼續申請一塊記憶體，比如說5個單位大，第二塊得到的記憶體塊就應該為10~14區間。如果你把第一塊記憶體塊釋放，然後再申請一塊大於10個單位的記憶體塊，比如說20個單位。因為剛被釋放的記憶體塊不能滿足新的請求，所以只能從15開始分配出20個單位的記憶體塊。現在整個記憶體空間的狀態是0~9空閒，10~14被占用，15~24被占用，25~99空閒。其中0~9就是一個記憶體碎片了。如果10~14一直被占用，而以後申請的空間都大於10個單位，那么0~9就永遠用不上了，變成外部碎片。

分類

記憶體碎片分為：內部碎片和外部碎片。

內部碎片

內部碎片就是已經被分配出去（能明確指出屬於哪個進程）卻不能被利用的記憶體空間；

內部碎片是處於區域內部或頁面內部的存儲塊。占有這些區域或頁面的進程並不使用這個存儲塊。而在進程占有這塊存儲塊時，系統無法利用它。直到進程釋放它，或進程結束時，系統才有可能利用這個存儲塊。

單道連續分配只有內部碎片。多道固定連續分配既有內部碎片，又有外部碎片。

外部碎片

外部碎片指的是還沒有被分配出去（不屬於任何進程），但由於太小了無法分配給申請記憶體空間的新進程的記憶體空閒區域。

外部碎片是出於任何已分配區域或頁面外部的空閒存儲塊。這些存儲塊的總和可以滿足當前申請的長度要求，但是由於它們的地址不連續或其他原因，使得系統無法滿足當前申請。

多道可變連續分配只有外部碎片。

減少方法

記憶體碎是因為在分配一個記憶體塊後，使之空閒，但不將空閒記憶體歸還給最大記憶體塊而產生的。最後這一步很關鍵。如果記憶體分配程式是有效的，就不能阻止系統分配記憶體塊並使之空閒。即使一個記憶體分配程式不能保證返回的記憶體能與最大記憶體塊相連線（這種方法可以徹底避免記憶體碎片問題），但你可以設法控制並限制記憶體碎片。所有這些作法涉及到記憶體塊的分割。每當系統減少被分割記憶體塊的數量，確保被分割記憶體塊儘可能大時，你就會有所改進。

這樣做的目的是儘可能多次反覆使用記憶體塊，而不要每次都對記憶體塊進行分割，以正好符合請求的存儲量。分割記憶體塊會產生大量的小記憶體碎片，猶如一堆散沙。以後很難把這些散沙與其餘記憶體結合起來。比較好的辦法是讓每個記憶體塊中都留有一些未用的位元組。留有多少位元組應看系統要在多大程度上避免記憶體碎片。對小型系統來說，增加幾個位元組的內部碎片是朝正確方向邁出的一步。當系統請求1位元組記憶體時，你分配的存儲量取決於系統的工作狀態。

如果系統分配的記憶體存儲量的主要部分是 1 ～ 16 位元組，則為小記憶體也分配 16 位元組是明智的。只要限制可以分配的最大記憶體塊，你就能夠獲得較大的節約效果。但是，這種方法的缺點是，系統會不斷地嘗試分配大於極限的記憶體塊，這使系統可能會停止工作。減少最大和最小記憶體塊存儲量之間記憶體存儲量的數量也是有用的。採用按對數增大的記憶體塊存儲量可以避免大量的碎片。例如，每個存儲量可能都比前一個存儲量大 20%。在嵌入式系統中採用“一種存儲量符合所有需要”對於嵌入式系統中的記憶體分配程式來說可能是不切實際的。這種方法從內部碎片來看是代價極高的，但系統可以徹底避免外部碎片，達到支持的最大存儲量。

將相鄰空閒記憶體塊連線起來是一種可以顯著減少記憶體碎片的技術。如果沒有這一方法，某些分配算法（如最先適合算法）將根本無法工作。然而，效果是有限的，將鄰近記憶體塊連線起來只能緩解由於分配算法引起的問題，而無法解決根本問題。而且，當記憶體塊存儲量有限時，相鄰記憶體塊連線可能很難實現。

有些記憶體分配器很先進，可以在運行時收集有關某個系統的分配習慣的統計數據，然後，按存儲量將所有的記憶體分配進行分類，例如分為小、中和大三類。系統將每次分配指向被管理記憶體的一個區域，因為該區域包括這樣的記憶體塊存儲量。較小存儲量是根據較大存儲量分配的。這種方案是最先適合算法和一組有限的固定存儲量算法的一種有趣的混合，但不是實時的。

有效地利用暫時的局限性通常是很困難的，但值得一提的是，在記憶體中暫時擴展共處一地的分配程式更容易產生記憶體碎片。儘管其它技術可以減輕這一問題，但限制不同存儲量記憶體塊的數目仍是減少記憶體碎片的主要方法。

現代軟體環境業已實現各種避免記憶體碎片的工具。例如，專為分散式高可用性容錯系統開發的 OSE 實時作業系統可提供三種運行時記憶體分配程式：核心 alloc()，它根據系統或記憶體塊池來分配；堆 malloc()，根據程式堆來分配； OSE 記憶體管理程式 alloc_region，它根據記憶體管理程式記憶體來分配。

從 許多方面來看，Alloc就是終極記憶體分配程式。它產生的記憶體碎片很少，速度很快，並有判定功能。你可以調整甚至去掉記憶體碎片。只是在分配一個存儲量後，使之空閒，但不再分配時，才會產生外部碎片。內部碎片會不斷產生，但對某個給定的系統和八種存儲量來說是恆定不變的。

Alloc 是一種有八個自由表的固定存儲量記憶體分配程式的實現方法。系統程式設計師可以對每一種存儲量進行配置，並可決定採用更少的存儲量來進一步減少碎片。除開始時以外，分配記憶體塊和使記憶體塊空閒都是恆定時間操作。首先，系統必須對請求的存儲量四捨五入到下一個可用存儲量。就八種存儲量而言，這一目標可用三個 如果 語句來實現。其次，系統總是在八個自由表的表頭插入或刪除記憶體塊。開始時，分配未使用的記憶體要多花幾個周期的時間，但速度仍然極快，而且所花時間恆定不變。

堆 malloc() 的記憶體開銷（8 ～ 16 位元組/分配）比 alloc小，所以你可以停用記憶體的專用權。malloc() 分配程式平均來講是相當快的。它的內部碎片比alloc()少，但外部碎片則比alloc()多。它有一個最大分配存儲量，但對大多數系統來說，這一極限值足夠大。可選的共享所有權與低開銷使 malloc() 適用於有許多小型對象和共享對象的 C++ 應用程式。堆是一種具有內部堆數據結構的夥伴系統的實現方法。在 OSE 中，有 28 個不同的存儲量可供使用，每種存儲量都是前兩種存儲量之和，於是形成一個斐波那契（Fibonacci）序列。實際記憶體塊存儲量為序列數乘以 16 位元組，其中包括分配程式開銷或者 8 位元組/分配（在檔案和行信息啟用的情況下為 16 位元組）。

當你很少需要大塊記憶體時，則OSE記憶體管理程式最適用。典型的系統要把存儲空間分配給整個系統、堆或庫。在有 MMU 的系統中，有些實現方法使用 MMU 的轉換功能來顯著降低甚至消除記憶體碎片。在其他情況下，OSE 記憶體管理程式會產生非常多的碎片。它沒有最大分配存儲量，而且是一種最先適合記憶體分配程式的實現方法。記憶體分配被四捨五入到頁面的偶數——典型值是 4 k 位元組。