操作系统-内存管理

1 KB = 2^10 B ；1 MB = 2^20 B ； 1 GB = 2^30 B

3.1 进程运行的基本原理

编辑 -> 编译 -> 链接 -> 装入内存

装入的三种方式

绝对装入：编译程序产生绝对地址的目标代码，装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存；只适合于单道程序环境
静态重定位：编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址；特点是必须分配其要求的全部内存空间
动态重定位（现常用）：编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行，需要重定位寄存器的支持；采用该方法允许程序在内存中发生移动

链接的三种方式

静态链接：程序运行之前将编译后的目标模块及库函数连接成装入模块
装入时动态链接：边装入边链接
运行时动态链接：程序执行时需要该目标模块时，才对它进行连接

内存管理的相关概念

内存空间的分配和回收
需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换
提供内存保护
- 方法一：在CPU中设置上、下限寄存器
- 方法二：在CPU中设置重定位寄存器（基址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）

3.2 覆盖与交换

覆盖技术：内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”，常用的模块的常驻固定区，不常用的模块放覆盖区需要时调入，不可能同时调用的模块可放入同一个覆盖区

缺点：必须由程序员声明覆盖结构，对用户不透明

交换（对换）技术：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存

PCB会常驻内存

3.3 分配与回收

3.3.1 连续分配管理方式

内部碎片：分配给某进程的内存区域中，有些部分没有用上

外部碎片：内存中某些空闲分区由于太小而难以利用

1、单一连续分配：内存被分为系统区和用户区，系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据；用户区用于存放用户进程相关数据

内存中只能有一道用户程序占用整个用户区空间

优点：实现简单；无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护

缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片；存储器利用率极低

2、固定分区分配：将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业

分区大小相等很适合用于一台计算机控制多个相同对象的场合
操作系统需要建立分区说明表/链

优点：实现简单，无外部碎片

缺点：无外部碎片，有内部碎片，内存利用率不高；当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求

3、动态分区分配：不预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态建立分区，系统的分区大小和数目可变

系统用于记录内存使用情况的数据结构

分区的分配与回收：回收之后有相邻的分区则合并，没有则在分区表或者分区链中添加一行数据
分区分配算法

特点：无内部碎片，有外部碎片，外部碎片可以通过“紧凑”技术来解决

动态分区分配算法

首次适应算法：分区说明表/链按地址从低到高排列，每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区
最佳适应算法：分区说明表/链按容量从小到大排列，优先使用更小的空闲分区

缺点：每次都选最小的分区，会留出很多小的难以利用的碎片
最大适应算法：分区说明表/链按容量递减排列，找到大小能满足要求的第一个空闲分区

缺点：大分区来的时候可能无法分配
邻近适应算法：分区说明表/链按地址从低到高排列，每次都从上次查找结束的位置开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区

优点：避免了首次适应算法遗留下的许多小的分区而每次都需要检索

缺点：高地址部分的大分区更可能被使用，划分为小分区，最后将导致无大分区可用

3.3.2 非连续分配管理方式

3.3.2.1 基本分页式存储管理

把内存分为一个个相等的小分区，每个分区称为“页框”或者“页帧”、“内存块”、“物理块”，每个页框有一个编号

再按照分区大小把进程拆分成一个个与页框相等的区域，称为“页”或“页面”，每个页也有一个编号；注意进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大，因此页框不能太大

然后将页面放进页框中，具有一一对应的关系

地址转换

页号的手动计算方法

页号 = 逻辑地址（原） / 页面长度（取除法的整数部分）

页面偏移量 = 逻辑地址 % 页面长度（取除法的余数部分）

常用页面大小为2的整数幂

页表

每个页表项的长度是相同的，页号按递增顺序排放，则页号可以隐含；进程页表通常是装在连续的内存块中的，为了使页面查询更加方便，通常设置页表项长度为页框长度的因子

基本地址变换机构

$$ 页号、页内偏移量 -> 页表 -> 页框号 -> 物理地址 $$

在分页存储管理（页式管理）的系统中，只要给出一个逻辑地址，系统就可以自动地算出页号、页内偏移量两个部分，并不需要显式地告诉系统这个逻辑地址中，页内偏移量占多少位，因而页式管理中地址是一维的

具有快表的基本地址变换机构

局部性原理

快表（联想寄存器TLB）：一种访问速度比内存快很多的高速缓冲存储器；以此对应，内存中的页表常称为慢表

两级页表

单级页表的缺点：

当页表很大时，需要占用很多个连续的页框（多级页表）
没有必要让页表常驻内存，进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面（虚拟存储技术）

若采用多级页表机制，则各级页表的大小不能超过一个页面

两级页表的访存次数

n级页表需要访存n+1次

3.3.2.2 基本分段式存储管理

分段：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名，每段从0开始编址；段的大小不固定

分段的逻辑地址

段号的位数决定了每个进程最多可以分为几个段；段内地址位数决定了每个段的最大长度是多少

段表

地址转换

分段、分页管理的对比

页是信息的物理单位，仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的；段是信息的逻辑单位，分段对于用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名
分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址；分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址
分段比分页更容易实现信息的共享和保护；只需让各进程的段表指向同一个段即可实现共享，保护只让该进程访问，不让其他进程访问即可

3.3.2.3 段页式管理方式

段页式的逻辑地址结构

段号的位数决定了每个进程最多可以分为几个段；页号位数决定了每个段最大有多少页；页内偏移量决定了页面大小、内存块大小是多少

程序员需要给出段号和页内偏移量，而页号对于用户是不可见的，因而段页式管理的地址空间是二维的

段表

一个段表可能对应多个页表

地址变换

3.3.2.4 虚拟内存

传统存储管理方式的缺点

一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行
驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中

虚拟内存的定义：在程序装入时，将很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存；在程序执行过程中，当所访问的信息不存在时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存；当内存空间不够时，由操作系统负责将内存中暂时不用的信息换出到外存

易混淆的知识点

虚拟内存的最大容量 = 2^ 计算机地址结构的位数

虚拟内存的实际容量 = min {内存与外存之和，最大容量}

虚拟内存的特征

多次性
对换性
虚拟性

虚拟内存的实现

请求分页存储管理

与基本分页管理相比，请求分页管理中，为了实现“请求调页”，操作系统需要知道每个页面是否已经调入内存；如果还没调入，那么也需要知道该页面在外存中存放的位置
当内存空间不足时，要实现“页面置换”，操作系统需要通过某些指标来决定到底换出哪个页面；若页面没有修改过，不需要重新写回内存，若页面修改过，就需要将外存中的旧数据覆盖

缺页中断机构

在请求分页系统中，每当要访问的页面不存在时，便产生一个缺页中断，此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列；

如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项；若没有空闲块，则有页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存，未修改过则不用

缺页中断属于故障中断

地址变换

页面置换算法

1.最佳置换算法（OPT，Optimal）：每次选择淘汰的页面将是永久不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率（理想算法）

2.先进先出置换算法（FIFO）：每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面

实现方法：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择对头页面即可

Belady异常——当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减少反增的异常现象

只有FIFO算法会产生Belady异常，该算法的性能较差

3.最近最久未使用置换算法（LRU）：每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

实现方法：赋予每个页面对应的页表项，用访问字段记录该页面自上次被访问依赖所经历的时间t，选择现有t值最大的，即最近最久未使用的淘汰

4.时钟置换算法（CLOCK）

简单的CLOCK算法：为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列；当某页被访问时，其访问位置为1，当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位，如果是0，就选择该页换出，如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描的所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描