1. 概述
在本篇文章中，我们首先介绍操作系统中用于内存管理的分页（Paging）机制，接着讲解内存碎片（Fragmentation）问题及其两种形式，并重点分析它们之间的区别。
最后，我们会解释一个关键问题：为什么在分页机制中只会出现内部碎片，而不会出现外部碎片？
2. 分页机制简介
分页允许我们将进程以非连续的方式存储在内存中，这是通过将进程划分为固定大小的“页（Page）”，同时将物理内存划分为同样大小的“帧（Frame）”来实现的。
在执行进程时，CPU会将每个页的逻辑地址（Logical Address）转换为对应的物理地址（Physical Address）。通过分段式分页（Segmented Paging）技术，我们可以将CPU提供的地址划分为页号（Page Number）和页偏移量（Page Offset）两个部分。
当虚拟地址（Virtual Address）较大时，程序占用的内存也会相应变大，因此对操作系统来说，使用分页机制管理内存是一项具有挑战性的任务。
✅ 虽然分页机制解决了外部碎片问题，但内部碎片仍然是其主要缺陷之一。
为了理解为什么分页机制中不会出现外部碎片，我们需要深入了解内部碎片和外部碎片的区别。
2.1. 物理地址的计算
要将逻辑地址转换为实际物理地址，我们需要知道页号。这个信息通常保存在页表（Page Table）中。页表不仅记录了每个页号对应的帧号，还负责地址转换。
物理地址的计算公式如下：
物理地址 = 帧号 × 页大小 + 页偏移量
如下图所示，展示了逻辑地址到物理地址的转换过程：
2.2. 示例说明
假设我们有一个进程，被划分为三个页：A、B、C。每个页都有对应的页号（例如A对应5，B对应6，C对应7）。
CPU通过页号在页表中查找对应的帧号，从而在物理内存中定位该页的位置。偏移量则用于定位帧中的具体位置：
3. 内存碎片及其分类
内存碎片是指内存被分割为多个小块，但这些小块无法被有效利用的现象。
碎片化内存通常是非连续的，因此无法被进程使用，导致内存利用率下降。碎片问题主要分为两种类型：
- 内部碎片（Internal Fragmentation）
- 外部碎片（External Fragmentation）
3.1. 内部碎片
当物理内存被划分为固定大小的块，并且分配给进程的块比其实际需要的更大时，就会产生内部碎片。
例如，一个进程只需要 3KB 的内存，但系统分配的是 4KB 的块，那么剩下的 1KB 就无法被其他进程使用，这就是内部碎片。
解决方法：最佳适配算法（Best Fit） 可以减少内部碎片。
3.2. 外部碎片
当总的空闲内存足够满足请求，但这些空闲内存是分散的、非连续的，因此无法分配给一个进程时，就会产生外部碎片。
例如，内存中可能有多个 1KB 的空闲块，但一个进程需要 3KB 的连续空间，这些小块就无法被利用。
解决方法：内存紧缩（Compaction） 或使用分段机制（Segmentation） 来管理内存。
4. 内部碎片与外部碎片的区别
| 特性 | 内部碎片 | 外部碎片 |
|---|---|---|
| 内存块是否已分配 | 已分配但未使用 | 未分配但无法使用 |
| 内存划分方式 | 固定大小块 | 可变大小块 |
| 产生原因 | 分配的块大于所需大小 | 进程释放后留下空隙 |
| 解决方案 | 最佳适配算法 | 内存紧缩 |
| 常见于哪种机制 | 分页（Paging） | 分段（Segmentation） |
5. 为什么分页机制中会出现内部碎片？
由于分页机制将内存划分为固定大小的页，当程序所需的内存小于一个页的大小时，就会出现未被使用的空间，从而形成内部碎片。
示例说明
假设一个程序被划分为两个页，每页大小为 2KB，总共分配了 4KB 的内存。但如果程序实际只使用了 3KB，那么就会有 1KB 的空间未被使用，形成内部碎片。
如下图所示：
在这个例子中，两个页各使用了 1.7KB 和 1.3KB，剩下的空间无法被其他程序使用，导致内部碎片。
6. 分页机制中会出现外部碎片吗？
答案是否定的。分页机制几乎不会出现外部碎片。
这是因为在分页机制中，内存被划分为固定大小的页和帧，程序的内存使用是非连续的。因此，即使某个页中存在未使用的空间，也不会影响其他程序的分配。
示例说明
如下图所示，程序 A 占用了两个非连续页中的部分空间，程序 B 可以继续使用剩下的空间：
综合示意图
下图展示了内部碎片和外部碎片的对比：
7. 总结
- 分页机制通过将程序划分为固定大小的页，解决了外部碎片问题。
- 然而，由于页的大小固定，程序可能不会完全填满一个页，从而导致内部碎片。
- 内部碎片无法被其他程序使用，是一种内存浪费。
- 外部碎片通常出现在分段机制中，而在分页机制中几乎不存在。
- 虽然可以通过最佳适配等策略减少内部碎片，但无法完全避免。
✅ 踩坑提醒： 在设计操作系统或进行底层内存优化时，一定要注意分页机制的内部碎片问题，避免资源浪费。