什么是內存碎片？
內部碎片的產生：因為所有的內存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，決定內存分配算法僅能把預定大小的內存塊分配給客戶。假設當某個客戶請求一個 43 字節的內存塊時，因為沒有適合大小的內存，所以它可能會獲得 44字節、48字節等稍大一點的字節，因此由所需大小四舍五入而產生的多余空間就叫內部碎片。
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個單位的連續空閑內存空間，范圍是0~99。如果你從中申請一塊內存，如10個單位，那么申請出來的內存塊就為0~9區間。這時候你 繼續申請一塊內存，比如說5個單位大，第二塊得到的內存塊就應該為10~14區間。如果你把第一塊內存塊釋放，然后再申請一塊大於10個單位的內存塊，比 如說20個單位。因為剛被釋放的內存塊不能滿足新的請求，所以只能從15開始分配出20個單位的內存塊。現在整個內存空間的狀態是0~9空閑，10~14 被占用，15~24被占用，25~99空閑。其中0~9就是一個內存碎片了。如果10~14一直被占用，而以后申請的空間都大於10個單位，那么0~9就 永遠用不上了，變成外部碎片。
簡單介紹程序內存分配方式：
內存分配方式主要有連續型分配方式和非連續型分配方式，顧名思義，連續型分配方式就是分配連續的空間，非連續型分配方式就是分配非連續的內存空間。
連續型分配內存方式：
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單一連續分配：
最簡單的分配方式，采用覆蓋技術。優點是無外部碎片，缺點是只能用於單用戶、有內部碎片、存儲利用率低。
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固定分區分配：
最簡單的多道程序存儲管理方式，它將用戶內存空間划分為若干個固定大小（可以相等，也可以不等，同為4的倍數或其他），每個分區只裝入一道作業。當有空閑分區的時候，就從作業隊列里選擇適當大小的作業裝入該分區。為便於內存分配，通常將分區按大小排隊，並為之建立一張分區說明表，其中各項包括每個分區的起始地址，大小及狀態（是否被分配）。
無外部碎片，但是無法實現多進程共享一個主存區。
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動態分區分配：
不預先划分內存，在程序裝入內存時，根據進程的大小動態地建立分區，並使得分區的大小正好適合進程的需要，因此系統中分區的大小和數目是可變的。
動態分區分配內存方式剛開始是很好地，但是，之后會導致內存出現很多的小的內存塊，也就是外部碎片。外部碎片可以通過緊湊來解決，就是操作系統不時地對進程進行移動和整理。但是需要動態重定位寄存器的支持。
動態分區分配在當系統有很大的內存塊的時候，分配內存必須要有一個策略。
1）首次適應：地址遞增，順序查找，第一個能滿足的即分配給進程。
2）最佳適應：容量遞增，找到第一個能滿足要求的空閑分區。
3）最壞適應：容量遞減，找到第一個能滿足要求的分區。
4）鄰近適應：循環首次適應算法。
當一個進程發生缺頁中斷的時候，進程會陷入內核態，執行以下操作：
1、檢查要訪問的虛擬地址是否合法
2、查找/分配一個物理頁
3、填充物理頁內容（讀取磁盤，或者直接置0，或者啥也不干）
4、建立映射關系（虛擬地址到物理地址）
重新執行發生缺頁中斷的那條指令
如果第3步，需要讀取磁盤，那么這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。
內存分配的原理
從操作系統角度來看，進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共享內存）。
1、brk是將數據段(.data)的最高地址指針_edata往高地址推；
2、mmap是在進程的虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱為文件映射區域的地方）找一塊空閑的虛擬內存。
這兩種方式分配的都是虛擬內存，沒有分配物理內存。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，操作系統負責分配物理內存，然后建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。
在標准C庫中，提供了malloc/free函數分配釋放內存，這兩個函數底層是由brk，mmap，munmap這些系統調用實現的。
下面以一個例子來說明內存分配的原理：
情況一、malloc小於128k的內存，使用brk分配內存，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應物理內存(因此沒有初始化)，第一次讀/寫數據時，引起內核缺頁中斷，內核才分配對應的物理內存，然后虛擬地址空間建立映射關系)，如下圖：
2、進程調用A=malloc(30K)以后，內存空間如圖2：
3、進程調用B=malloc(40K)以后，內存空間如圖3。
情況二、malloc大於128k的內存，使用mmap分配內存，在堆和棧之間找一塊空閑內存分配(對應獨立內存，而且初始化為0)，如下圖：
5、進程調用D=malloc(100K)以后，內存空間如圖5；
6、進程調用free(C)以后，C對應的虛擬內存和物理內存一起釋放。
8、進程調用free(D)以后，如圖8所示：