第3章内存管理

考纲内容

(一)内存管理基础
内存管理概念：逻辑地址与物理地址空间，地址变换，内存共享，内存保护，内存分配与回收
连续分配管理方式；页式管理；段式管理；段页式管理
(二)虚拟内存管理
虚拟内存基本概念；请求页式管理；页框分配；页置换算法
内存映射文件(Memory-Mapped Files)；虚拟存储器性能的影响因素及改进方式

3.1 内存管理概念

3.1.1 内存管理的基本原理和要求

内存管理(MemoryManagement)是操作系统设计中最重要和最复杂的内容之一。虽然计算机硬件技术一直在飞速发展，内存容量也在不断增大，但仍然不可能将所有用户进程和系统所需要的全部程序与数据放入主存，因此操作系统必须对内存空间进行合理的划分和有效的动态分配。操作系统对内存的划分和动态分配，就是内存管理的概念。

有效的内存管理在多道程序设计中非常重要，它不仅可以方便用户使用存储器、提高内存利用率，还可以通过虚拟技术从逻辑上扩充存储器。

内存管理的主要功能

内存空间的分配与回收。由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。

内存介绍

程序的装入

程序的链接

3.1.2 覆盖与交换

3.1.3 连续分配管理方式

连续分配方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，譬如某用户需要100MB的内存空间，连续分配方式就在内存空间中为用户分配一块连续的100MB空间。连续分配方式主要包括单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配。

1、单一连续分配
内存在此方式下分为系统区和用户区，系统区仅供操作系统使用，通常在低地址部分；在用户区内存中，仅有一道用户程序，即整个内存的用户空间由该程序独占。

这种方式的优点是简单、无外部碎片，无须进行内存保护，因为内存中永远只有一道程序。缺点是只能用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片，存储器的利用率极底。

2、固定分区分配

固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空间划分为若干固定大小区域，每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时，便可再从外存的后备作业队列中选择适当大小的作业装入该分区，如此循环。在划分分区时有两种不同的方法。

分区大小相等。程序太小会造成浪费，程序太大又无法装入，缺乏灵活性。
分区大小不等。划分为多个较小的分区、适量的中等分区和少量大分区。

这种方式存在两个问题：一是程序可能太大而放不进任何一个分区，这时就需要采用覆盖技术来使用内存空间；二是当程序小于固定分区大小时，也要占用一个完整的内存分区，这样分区内部就存在空间浪费，这种现象称为内部碎片。固定分区是可用于多道程序设计的最简单的存储分配，无外部碎片，但不能实现多进程共享一个主存区，所以存储空间利用率低。

3、动态分区分配

又称可变分区分配，它是在进程装入内存时，根据进程的实际需要，动态地为之分配内存，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此，系统中分区的大小和数目是可变的。

如图3.6所示，系统有64MB内存空间，其中低8MB固定分配给操作系统，其余为用户可用内存。开始时装入前三个进程，它们分别分配到所需的空间后，内存仅剩4MB,进程4无法装入。在某个时刻，内存中没有一个就绪进程，CPU出现空闲，操作系统就换出进程2,换入进程4。由于进程4比进程2小、这样在主存中就产生了一个6MB的内存块。之后CPU又出现空闲，需要换入进程2，而主存无法容纳进程2，操作系统就换出进程1，换入进程2。

动态分区在开始时是很好的，但随着时间的推移，内存中会产生越来越多小的内存块，内存的利用率也随之下降。这些小的内存块称为外部碎片，它存在于所有分区的外部，这与固定分区中的内部碎片正好相对。克服外部碎片可以通过紧凑技术来解决，即操作系统不时地对进程进行移动和整理。但这需要动态重定位寄存器的支持，且相对费时。紧凑的过程实际上类似于Windows系统中的磁盘碎片整理程序，只不过后者是对外存空间的紧凑。

在进程装入或换入主存时，若内存中有多个足够大的空闲块，则操作系统必须确定分配哪个内存块给进程使用，这就是动态分区的分配策略。考虑以下几种算法：
1）首次适应（First Fit）算法。空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时，从链首开始顺序查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区分配给作业。
2）邻近适应（Next Fit）算法。又称循环首次适应算法，由首次适应算法演变而成。不同之处是，分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。
3）最佳适应（Best Fit）算法。空闲分区按容量递增的次序形成空闲分区链，找到第一个能
满足要求且最小的空闲分区分配给作业，避免“大材小用”。
4）最坏适应（Worst Fit）算法。空闲分区以容量递减的次序链接，找到第一个能满足要求的，即最大的分区，从中分割一部分存储空间给作业。

首次适应算法最简单，通常也是最好和最快的。不过，首次适应算法会使得内存的低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时都要经过这些分区，因此增加了开销。

邻近适应算法试图解决这个问题。但它常常导致在内存空间的尾部（因为在一遍扫描中，内存前面部分使用后再释放时，不会参与分配）分裂成小碎片。通常比首次适应算法要差。

在连续分配方式中，我们发现，即使内存有超过1GB的空闲空间，但若没有连续的1GB空间，则需要1GB空间的作业仍然是无法运行的；但若采用非连续分配方式，则作业所要求的1GB内存空间可以分散地分配在内存的各个区域，当然，这也需要额外的空间去存储它们（分散区域）的索引，使得非连续分配方式的存储密度低于连续分配方式。非连续分配方式根据分区的大小是否固定，分为分页存储管理和分段存储管理。在分页存储管理中，又根据运行作业时是否要把作业的所有页面都装入内存才能运行，分为基本分页存储管理和请求分页存储管理。

3.1.4 基本分页存储管理

固定分区会产生内部碎片，动态分区会产生外部碎片，这两种技术对内存的利用率都比较低。我们希望内存的使用能尽量避免碎片的产生，这就引入了分页的思想：把主存空间划分为大小相等且固定的块，块相对较小，作为主存的基本单位。每个进程也以块为单位进程划分，进程在执行时，以块为单位逐个申请主存中的块空间。

分页的方式从形式上看，像分区相等的固定分区技术，分页管理不会产生外部碎片。但它又有本质的不同点：块的大小相对分区要小很多，而且进程也按照块进程划分，进程运行时按块申请主存可用空间空执行。这样，进程只会在为最后一个不完整的块申请一个主存块空间时，才产生主存碎片，所以尽管产生内部碎片，但这种碎片相对于进程来说也是很小的，每个进程平均只产生半个块大小的内部碎片（也称页内碎片）。

1.分页存储的几个基本概念
（1）页面和页面大小

进程中的块称为页或页面（Page），内存中的块称为页框或页帧（Page Frame）。外存也以同样的单位进程划分，直接称为块或盘块（Block）。进程在执行时需要申请主存空间，即要为每个页面分配主存中的可用页框，这就产生了页和页框的一一对应。