王道_操作系统 第三章 内存管理

1 内存的基础知识

1.0 知识总览

1.1 什么是内存？有何作用？

补充知识：几个常用的数量单位

1.2 进程的运行原理——指令

1.3 逻辑地址 VS 绝对地址

1.4 从写程序到程序运行

1.5 装入模块装入内存

装入的三种方式——绝对装入

装入的三种方式——静态重定位

装入的三种方式——动态重定位

装入时依然保持使用逻辑地址

优点：除上述优点，还可将程序分配到不连续的存储区中；在程序运行前只需装入它的部分代码，即可投入运行，在程序运行期间，可根据需要动态申请分配内存；便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。

1.6 链接的三种方式

静态链接：

在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开。

装入时动态链接：

将各目标模块装入内存时，边装入边链接（没有生成装入模块）。

运行时动态链接：

在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接（如果不使用某模块，则不用链接）。优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

1.7 知识回顾与重要考点

2 内存管理的概念

2.0 知识总览

2.1 内存空间的分配与回收

2.2 内存空间的扩充

2.3 地址转换

2.4 内存保护

操作系统需要提供内存保护功能。保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰。

方法一：

方法二：

2.5 知识回顾与重要考点

重定位寄存器又叫基地址寄存器，界地址寄存器又叫限长寄存器。

3 覆盖与交换

3.0 知识总览

虚拟存储技术会在之后的小结中详细介绍

3.1 覆盖技术

例：

位于同一层次的模块不会被同时访问

覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史

3.2 交换技术

复习回顾：七状态模型

思考问题：

3.3 知识回顾与重要考点

4 连续分配管理方式

4.0 知识总览

4.1 单一连续分配

4.2 固定分区分配

思考：操作系统应该怎么记录内存中各个分区的空闲或者分配的情况呢？

4.3 动态分区分配

2. 装入方式：动态重定位方式

分配

第一种情况：分区数量不变

第二种情况：分区数量改变

回收

第一种情况：回收区的后面有一个相邻的空闲分区

第二种情况：回收区的前面有一个相邻的相邻空闲分区

第三种情况：回收区的前、后各有一个空闲分区

第四种情况：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区

4.4 知识回顾与重要考点

5 动态分区分配算法

5.0 知识总览

5.1 首次适应算法

5.2 最佳适应算法

优先使用更小的空闲区

分配空间后，空闲分区大小变小的节点可能需要更新链表中的顺序！

5.3 最坏适应算法

优先使用最大的空闲区

5.4 邻近适应算法

5.5 知识回顾与重要考点

6 基本分页存储管理的基本概念

6.0 知识总览

6.1 分页存储管理的基本概念

6.2 分页存储管理的地址转换

思考：将进程地址空间分页之后，操作系统该如何实现逻辑地址到物理地址的转换？

如何计算二进制位表示的地址转换：

结论：如果每个页面大小为2^KB，用二进制数表示逻辑地址，则末尾K位即为页内偏移量，其余部分就是页号。

6.3 逻辑地址结构

6.4 页表

6.5 知识回顾与重要考点

7 基本地址变换机构

7.0 知识总览

​ 该小节也属于基本分页存储管理的内容。重点理解、记忆基本地址变换机构（用于实现逻辑地址到物理地址转换的一组硬件机构）的原理和流程。

7.1 基本地址变换机构

动手验证：假设页面大小L=1KB，最终要访问的内存块号b=2，页内偏移量W=1023。

①尝试用E=b*L+W计算目标物理地址。

②尝试把内存块号、页内偏移量用二进制表示，并把它们拼接起来得到物理地址。

对比①②的结果是否一致

注意：对页号进行越界检查

7.2 知识回顾和重要考点

8 具有快表的地址变换机构

8.0 知识总览

8.1 局部性原理

8.2 什么是快表（TLB）

​ 快表，又称联想寄存器（TLB），是一种访问速度比内存快很多的高速缓冲存储器，用来存放当前访问的若干页表项，以加快地址变换的过程。于此对应，内存中的页表常称为慢表。

8.3 引入快表后，地址的变换过程

8.4 知识回顾与重要考点

9 两级页表

9.0 知识总览

9.1 单级页表存在的问题

9.2 两级页表的原理、地址结构

9.3 如何实现地址变换

9.4 两级页表需要注意几个细节

1）各级页表的大小不能超过一个页面

2）访存次数分析

多级页表比单级页表内存利用率高，但访存次数上升。两级页表最多需要访问3次内存，n级页表最多需要访问n+1次内存。

9.5 知识回顾与重要考点

10 基本分段存储管理方式

10.0 知识总览

10.1 分段

10.2 段表

10.3 地址变换

分段需要对段内位置进行检查；分页不需要检查

10.4 分段、分页管理的对比

比如简单输出“Hello World”的代码段可以被共享

为什么分页管理中不方便实现信息共享：

10.5 知识回顾与重要考点

11 段页式管理方式

11.0 知识总览

11.1 分页、分段的优缺点分析

11.2 分段+分页=段页式管理

段页式管理的逻辑地址结构

11.3 段表、页表

一个进程会对应一个段表，但是一个进程可能会对应多个页表

11.4 地址转换

0. 从PCB中读出段表寄存器内容

要点：访存次数、合法性检查

11.5 知识回顾与重要考点

12 虚拟内存的基本概念

12.0 知识总览

在传统存储管理方式的基础上引入了交换技术、覆盖技术，使得内存利用率有所提升，并且能从逻辑上扩充内存容量。

12.1 传统存储管理方式的特征、缺点

12.2 局部性原理

12.3 虚拟内存的定义和特征

12.4 如何实现虚拟内存技术

12.5 知识回顾与重要考点

13 请求分页管理方式

13.0 知识总览

13.1 页表机制

13.2 缺页中断机构

13.3 地址变换机构

快表中有的页面一定是在内存中的。所以若某个页面被换出内存，则快表中的相应表项也要删除，否则可能访问错误的页面。

补充细节：

①修改访问位和修改位：只有“写指令”才需要修改“修改位”。并且，一般来说只需要修改快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表。这样可以减少访存次数。

②保留CPU现场：和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留CPU现场

③选择一页换出：需要用某种“页面置换算法”来决定一个换出页面（下节内容）

④将该页写回外存：换入/换出页面都需要启动慢速的I/O操作，可见，如果换入/换出太频繁，会有很大的开销

⑤修改页表：页面调入内存后，需要修改慢表，同时也需要将表项复制到快表中

在具有快表机构的请求分页系统中，访问一个逻辑地址时，若发生缺页，则地址变换步骤是：

查快表（未命中）——查慢表（发现未调入内存）——调页（调入的页面对应的表项会直接加入快表）——查快表（命中）——访问目标内存单元

13.4 知识回顾与重要考点

14 页面置换算法

14.0 知识总览

14.1 最佳置换算法（OPT）

14.2 先进先出置换算法（FIFO）

Belady异常

14.3 最近最久未使用置换算法（LRU）

14.4 时钟置换算法（CLOCK / NRU）

最多经过两轮扫描

14.5 改进型的时钟置换算法

第一优先级：最近没访问，且没修改的页面（0,0）

第二优先级：最近没访问，但修改过的页面（0,1）

第三优先级：最近访问过，但没修改的页面（1,0）

第四优先级：最近访问过，且修改过的页面（1,1）

14.6 知识回顾与重要考点

15 页面分配策略

15.0 知识总览

15.1 页面分配、置换策略

驻留集

固定分配局部置换

可变分配全局置换

锁定：系统会锁定一些页面，这些页面中的内容不能置换出外存（如：重要的内核数据可以设为“锁定”）

可变分配局部置换

15.2 调入页面的时机

15.3 从何处调入页面

1. 系统拥有足够的对换区空间：页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。

2. 系统缺少足够的对换区空间：凡是不会被修改的数据，都直接从文件区调入，由于这些页面不会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。

3. UNIX方式：运行之前，进程有关的数据全部放在文件区，故未使用过的页面都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换区，下次需要时从对换区调入。

15.4 抖动（颠簸）现象

15.5 工作集

15.6 知识回顾与重要考点