外部碎片和内部碎片的区别以及管理方式

素颜马尾好姑娘i 2022-06-13 02:06 419阅读 0赞

在牛客网上刷题：  
外部碎片( External Fragmentation )最严重的存储管理方式是（）  
A、固定分区；  
B、可变分区；  
C、分页；  
D、分段。答案为B，并不明白，就整理了一下大牛的总结~  
感谢博主：  
[http://blog.csdn.net/umdcoding/article/details/52742643][http_blog.csdn.net_umdcoding_article_details_52742643]  
[http://blog.csdn.net/haiross/article/details/38704945][http_blog.csdn.net_haiross_article_details_38704945]

**最生动的解释：**

外部碎片，是由于大量信息由于先后写入、置换、删除而形成的空间碎片。为了便于理解，我们将信息比作货物，将存储空间比作仓库来举例子。假设，我们有编号为1、2、3、4、5、6的6间仓库库房，前天送来了一大宗货，依次装入了1、2、3、4、5号仓库，昨天又因故将4号库房的货物运走了，那么数值上说我们还有两间空仓库的空间，但是如果这时候送来两间仓库容量的货物但要求必须连续存放的话，我们实际上是装不下的。这时的4、6号仓库，就成为一种空间的碎片。由于这样的原因形成的空间碎片，我们称之为外部碎片。  
从上面的例子我们可以理解，外部碎片是可以通过一些措施来改善或者解决的。对于在硬盘上的外部碎片，我们通常用磁盘碎片整理来解决，对应上面的例子，就是将5号仓库的货物及时移动到新腾出的4号仓库，这样，1-4号仓库都是满的，而5、6号仓库则形成了有效的、连续的空间，能够适应新的应用要求了；对于内存中的外部碎片，我们内存管理中常用的页面管理形式，就是为了解决这个问题的。这里就不详述了。

内部碎片，是由于存量信息容量与最小存储空间单位不完全相符而造成的空间碎片。还是沿用上面的例子，这次我们的6间仓库目前都是空置的，但是假设我们管理仓库的最小空间单位是间，今天运来了容量为2.5间仓库的货物，那也要占用我们1-3号3间仓库，尽管3号仓库还闲置着一半的空间，但是这半间仓库已经不能再利用了（因为是以间为最小单位么）；这时，我们的仓库中就形成了半间仓库的空间碎片，仓库的有效容量只剩下3间仓库了。

【外部碎片】  
外部碎片指的是还没有被分配出去（不属于任何进程），但由于太小了无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲区域。  
外部碎片是出于任何已分配区域或页面外部的空闲存储块。这些存储块的总和可以满足当前申请的长度要求，但是由于它们的地址不连续或其他原因，使得系统无法满足当前申请。  
多道可变连续分配只有外部碎片。

【内部碎片】  
内部碎片就是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）却不能被利用的内存空间；  
内部碎片是处于区域内部或页面内部的存储块。占有这些区域或页面的进程并不使用这个存储块。而在进程占有这块存储块时，系统无法利用它。直到进程释放它，或进程结束时，系统才有可能利用这个存储块。  
单道连续分配只有内部碎片。多道固定连续分配既有内部碎片，又有外部碎片。

**上面应该是针对内存的，下面是针对磁盘的。**

很多人会把文件碎片跟簇的概念混淆起来。其实对windows系统来说硬盘上的每个分区都是由最小存储单元——簇组成的。就好比，一面墙是由一块块转头组成的。簇的大小可以在分区格式化时由用户定义，一般是数个KB大小，比如是8KB。假设我有一个文件，大小是80MB零1KB（1MB=1000KB），换算一下就是80,001KB，其中的80,000KB正好占用10000个簇，剩下的那1KB，不得以也要占用1个簇，但这最后一个簇还有7KB的空间没用上了。而且这个未完全使用的簇，其他文件也不允许继续使用。这就造成了一点点的空间浪费。  
不少人就把这被浪费了的7KB空间就是磁盘上的内部碎片。

而磁盘上的外部碎片（即平时所说的磁盘碎片，磁盘碎片清理工具只能清理磁盘上的外部碎片，清除不了磁盘上的内部碎片，除非改变文件系统的分配单位即簇的大小，使之是一个文件大小的整数倍。）实际上指的是一个文件占据那些簇是不连续的，就相当于文件被分割开来，分别存放在相互间断的几段簇上。文件被分割为几个部分就是几个碎片。所以碎片其实是指文件碎片，可以理解成，文件破碎成片之意。而且文件碎片之间有时候顺序还是错乱的。比如说，有时候“文件里靠后的碎片”所占的簇段在硬盘上反而会排在“文件里位置靠前的碎片”簇段的前面。这样一来，一个文件就会以比较混乱的顺序存放在硬盘上。

显然计算机读取连续的有序的数据肯定要比不连续的乱序的数据来得快。所以整理碎片可能会大幅度提高系统性能。

举个例子，起初硬盘某个分区是空白的，写入三个文件A、B和C。显然这个时候，三个文件都是顺次占用三个簇段（这个说明存放文件所用的文件系统应该是类似FAT这样的文件系统，具体参看注释1）。故而三个文件不会产生碎片。

现在假设你删除了B文件，这个时候A和C中间就有一块空闲簇段了。此时还是不存在文件碎片的，因为每个文件各自占据的簇段都是连续的，没有文件被分割。而如果现在需要写入一个文件D，而且D比刚刚删去的文件B要大。那么A和C之间的空闲簇段就不足以放入D，再假设C后面的空闲簇段也不足以放下D，这个时候D就势必要分割成两块存放，一块放在A和C之间，另一块放在C之后。这样一来，文件碎片就产生了。D文件有两个文件碎片。

磁盘碎片整理要做的工作就是：把C文件前移，一直移到紧接A文件的簇段上去。这样A和C之间就没有空闲簇了，C之后剩下的将是一段完整的空闲簇段，足以放下文件D。这样D就也占据一段连续的簇段。碎片也就消除了。

**外部碎片的两种理解：**

1、在内存上，位于任何两个操作系统分配的用于装载进程的内存区域或页面之间的空闲区域称为外部碎片

2、在磁盘上，将文件分割成几块不相连的分片，这样不相连的分片叫做文件碎片，也即外部碎片。如果将文件分割成几块相连的分片，这样相连的分片则不是文件碎片。

**减少内存碎片**

内存碎片是因为在分配一个内存块后，使之空闲，但不将空闲内存归还给最大内存块而产生的。最后这一步很关键。如果内存分配程序是有效的，就不能阻止系统分配内存块并使之空闲。即使一个内存分配程序不能保证返回的内存能与最大内存块相连接（这种方法可以彻底避免内存碎片问题），但你可以设法控制并限制内存碎片。所有这些作法涉及到内存块的分割。每当系统减少被分割内存块的数量，确保被分割内存块尽可能大时，你就会有所改进。  
　  
这样做的目的是尽可能多次反复使用内存块，而不要每次都对内存块进行分割，以正好符合请求的存储量。分割内存块会产生大量的小内存碎片，犹如一堆散沙。以后很难把这些散沙与其余内存结合起来。比较好的办法是让每个内存块中都留有一些未用的字节。留有多少字节应看系统要在多大程度上避免内存碎片。对小型系统来说，增加几个字节的内部碎片是朝正确方向迈出的一步。当系统请求1字节内存时，你分配的存储量取决于系统的工作状态。

将相邻空闲内存块连接起来是一种可以显著减少内存碎片的技术。如果没有这一方法，某些分配算法（如最先适合算法）将根本无法工作。然而，效果是有限的，将邻近内存块连接起来只能缓解由于分配算法引起的问题，而无法解决根本问题。而且，当内存块存储量有限时，相邻内存块连接可能很难实现。

有效地利用暂时的局限性通常是很困难的，但值得一提的是，在内存中暂时扩展共处一地的分配程序更容易产生内存碎片。尽管其它技术可以减轻这一问题，但限制不同存储量内存块的数目仍是减少内存碎片的主要方法。  
现代软件环境业已实现各种避免内存碎片的工具。例如，专为分布式高可用性容错系统开发的 OSE 实时操作系统可提供三种运行时内存分配程序：内核 alloc()，它根据系统或内存块池来分配；堆 malloc()，根据程序堆来分配； OSE 内存管理程序 alloc\_region，它根据内存管理程序内存来分配。

从 许多方面来看，Alloc就是终极内存分配程序。它产生的内存碎片很少，速度很快，并有判定功能。你可以调整甚至去掉内存碎片。只是在分配一个存储量后，使之空闲，但不再分配时，才会产生外部碎片。内部碎片会不断产生，但对某个给定的系统和八种存储量来说是恒定不变的。

Alloc 是一种有八个自由表的固定存储量内存分配程序的实现方法。系统程序员可以对每一种存储量进行配置，并可决定采用更少的存储量来进一步减少碎片。除开始时以外，分配内存块和使内存块空闲都是恒定时间操作。首先，系统必须对请求的存储量四舍五入到下一个可用存储量。就八种存储量而言，这一目标可用三个 如果 语句来实现。其次，系统总是在八个自由表的表头插入或删除内存块。开始时，分配未使用的内存要多花几个周期的时间，但速度仍然极快，而且所花时间恒定不变。

堆 malloc() 的内存开销（8 ～ 16 字节/分配）比 alloc小，所以你可以停用内存的专用权。malloc() 分配程序平均来讲是相当快的。它的内部碎片比alloc()少，但外部碎片则比alloc()多。它有一个最大分配存储量，但对大多数系统来说，这一极限值足够大。可选的共享所有权与低开销使 malloc() 适用于有许多小型对象和共享对象的 C++ 应用程序。堆是一种具有内部堆数据结构的伙伴系统的实现方法。在 OSE 中，有 28 个不同的存储量可供使用，每种存储量都是前两种存储量之和，于是形成一个斐波那契（Fibonacci）序列。实际内存块存储量为序列数乘以 16 字节，其中包括分配程序开销或者 8 字节/分配（在文件和行信息启用的情况下为 16 字节）。

当你很少需要大块内存时，则OSE内存管理程序最适用。典型的系统要把存储空间分配给整个系统、堆或库。在有 MMU 的系统中，有些实现方法使用 MMU 的转换功能来显著降低甚至消除内存碎片。在其他情况下，OSE 内存管理程序会产生非常多的碎片。它没有最大分配存储量，而且是一种最先适合内存分配程序的实现方法。内存分配被四舍五入到页面的偶数——典型值是 4 k 字节。

存储器是个宝贵但却有限的资源。一流的操作系统，需要能够有效地管理及利用存储器。

**内存为程序分配空间有四种分配方式：**  
1、连续分配方式  
2、基本分页存储管理方式  
3、基本分段存储管理方式  
4、段页式存储管理方式  
具体实现方式见此博主文章：  
[http://blog.csdn.net/kennyrose/article/details/7530330][http_blog.csdn.net_kennyrose_article_details_7530330]

固定分区存在内部碎片，可变式分区分配会存在外部碎片；  
页式虚拟存储系统存在内部碎片；  
段式虚拟存储系统，存在外部碎片  
为了有效的利用内存，使内存产生更少的碎片，要对内存分页，内存以页为单位来使用，最后一页往往装不满，于是形成了内部碎片。  
为了共享要分段，在段的换入换出时形成外部碎片，比如5K的段换出后，有一个4k的段进来放到原来5k的地方，于是形成1k的外部碎片。  
分页式存储管理旨在提高内存利用率，满足系统管理的需要；  
分段式存储管理则旨在满足用户(程序员)的需要，在实现共享和保护方面优于分页式存储管理。

可以得出选B了吧~

[http_blog.csdn.net_umdcoding_article_details_52742643]: http://blog.csdn.net/umdcoding/article/details/52742643
[http_blog.csdn.net_haiross_article_details_38704945]: http://blog.csdn.net/haiross/article/details/38704945
[http_blog.csdn.net_kennyrose_article_details_7530330]: http://blog.csdn.net/kennyrose/article/details/7530330