九、内存管理（二）

6.3页式存储管理：分页

• 将主存划分为许多等长的小块，称为页框
• 将进程划分为若干页，一个页的大小与一个页框的大小相等
• 进程加载时，所有页被载入可用页框（不要求连续），同时建立页表————简单分页的主要数据结构
• 简单分页的进程加载示例
  

6.3.1页表

• 操作系统通过页表的建立和维护进行内存管理：
  • 操作系统为每个进程建立并维护一个页表
  • 页表的每个表项包含该页在内存中对应的页框号（还包括保护、共享等信息）
  • 页表以页号为索引
  • 操作系统另外维护一个空闲页框的页表
    

6.3.2简单分页中的重定位

• 程序中的逻辑地址由两部分组成
  • 页号
  • 页内偏移
• CPU的一对寄存器记录当前运行进程的页表起始物理地址、页表长度
• （页号，偏移）->（页框号，偏移）
• 页（页框）的大小必须为2的整数m次幂
• 当页（页框）的大小为2的m次幂时，逻辑地址与相对地址一致
• 页面大小为2的m次幂时，页面（逻辑地址）对程序员、编译器/汇编器、链接程序都是透明的
• 例：16位编址，若页面大小为1K（1024），则需（低）10位表示页内偏移，剩下高6位表示页号，则：
  • 相对地址为1502的逻辑地址 = 1024 + 478 = （1,478）
  • 逻辑地址为（1,478）的相对地址 = 1*1024 + 478 = 1502

分区、分页、分段的逻辑地址

简单分页地址重定位

• 例子
  

6.3.3简单分页的特点

• 类似固定分区，不同在于
  • 分页中的“分区”（页框）非常小（从而内碎片也小）
  • 分页中的一个进程可以占用多个“分区”（页框），从而不需要覆盖
  • 分页中不要求一个进程占用的多个“分区”（页框）连续，充分利用空闲“分区”
• 存在问题
  • 不易实现共享和保护（不反应程序的逻辑组织）
  • 不便于动态链接（线性地址空间）
  • 不易处理数据结构的动态增长（线性地址空间）

6.4分段存储管理

• 基本原理
  • 将程序及数据划分成若干段（不要求等长，但不能超过最大长度）
  • 进程加载时，所有段被载入内存可用区域（不要求连续），同时建立段表
    

6.4.1段表

• 操作系统通过段表管理内存
  
  • 操作系统为每个进程建立并维护一个段表
  • 段表的每个表项包括该段在内存中的起始物理地址、断长等
  • 段表以段号为索引
  • 操作系统另外还维护一个内存空闲块的表

6.4.2简单分段中的重定位

• 程序中的逻辑地址由两部分组成
  • 段号
  • 段内偏移
• 进程进入运行态时，其段表地址被载入CPU专用寄存器
• 逻辑地址（n,m）-> 物理地址转换过程：
  • 根据n位计算段号
  • 以段号为索引到段表查找得到段起始物理地址
  • 比较偏移（m位）与段长（据段表），若前者大，则为非法地址
  • 物理地址=段起始地址+偏移
    
• 简单分段重定位的例子：
  

6.4.3页式管理和段式管理的比较

• 分页是处于系统管理的需要，分段是出于用户的应用的需要
  • 一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处
• 页大小是系统固定的，而段大小通常不固定
• 逻辑地址表示
  • 分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间
  • 分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间
• 通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度
• 分段对程序员可见，从而可用来对程序或数据进行模块化组织
• 分段方便实现模块化共享和保护，如程序可执行、数据可读写（段表表项要有保护位）

6.4.4动态分区管理和段式管理的比较

• 都存在外部碎片，但分段中可通过减少断长来减轻外部碎片浪费的程度
• 分段中一个进程可占用多个“分区”
• 分段中不要求一个进程占用的多个“分区”连续（但一般要求一个段所占用的多个“分区”连续）
• 分段克服了分页存在的问题（数据结构的动态增长、动态链接、保护和共享）
• 分段存在外部碎片，分页只有小的内碎片，分页内存利用率比分段高