操作系统-进程内存分配
目录
说明：该文档是借鉴B站博主的，地址为https://www.bilibili.com/video/BV1yv411C7Kr
下面的图片都是切图的，因为图上有标识，不能切图成功。所有标识打码了，如有侵权，联系删除
进程内存分配3种方式
1.连续固定内存分配
2.非连续内存分配(动态分配)
3.虚拟内存
一：连续固定内存分配
连续分配：为一个进程分配一片连续的内存空间，类似顺序表
优点：快
缺点：比较难划分，连续的很长的内存空间不好找
连续固定内存分配:在进程来之前就已经内存分区分配了
缺点：浪费空间
1.单一连续分配方式
单一连续分配方式：只能用于单用户，单任务的操作系统中。只存在一个进程运行
2.固定分区分配
固定分区分配：分区大小相等
缺点：若进程太小，则空间浪费。若进程太大，超过一个分区容量，则无法装入
优点：如果每个进程需要的内存都刚好是一个分区的大小，则实现简单，每个进程都满足要求。
适用系统：比如车间机床，每个机床都一样
3.分区大小不等分配
分区按大小排队
连续内存分配管理方式
1.首次适应算法
2.最佳适应算法
3.最坏适应算法
动态分配过程
分配大小：只能分配2的整数次幂大小空间.2,4,8,32,64,128,256,512,1024...
下图：
进程1需要64kb:内存动态分配64kb给进程1
进程2需要128kb:内存动态分配128kb给进程2
进程3需要100kb:内存动态分配128kb给进程3
进程4需要100kb:内存分配不了，剩余的内存小于100kb
内存碎片-外部碎片/内部碎片（连续的）
内部碎片(已经被分配出去)：进程3只需要100kb，分配了128kb给进程3。剩余28kb就是内部碎片，无法分配给其他进程
外部碎片(还没有被分配出去)：由于太小了，无法分配给新进程
空闲分区链/空闲分区表
空闲分区链：多个不连续的内存空间，用链表串起来
下图：
进程2结束了，蓝色的空间是空闲的内存
伙伴系统算法
伙伴系统是对以上两种内存方式对一种折中方案
原理：
1.整个分区大小为2的n次方
2.新的进程需要空间S,可讲分区进行i次划分，得到空间2的(n-1)次方
3.当满足2的(n-i-1)<S<=2的(n-i)的时候，则把大小2的(n-i)的分区分配给进程
合并条件：大小相同，地址相邻(由同一块分割而来)
原理图：
最开始为1M整块的内存
来了一个A进程，需要66K:1M划分一半，512大于66K：
512K划一半，256大于66k,继续划分：
265k划一半，128k大于66k,128k的一半64k小于66k，所以128k分配给A
又来了个B进程，需要251K：所以把256k分配给B
又来了个C进程，需要41k：128K大于41K,128K的一半64大于41K,64K的一半32小于41k,所以把64K分配给C
又来了个D进程，需要130K：所以把256K分配给D
这时，C进程执行完了，回收内存64k，合并128K
这时，进程B执行完了，回收内存256K，不能合并，因为左边是128K,大小不一致不能合并，不是同一块分区分裂的不能合并
这时，进程D执行完了，回收内存256K，和右边的合并。因为来自同一块内存区
这时，进程A执行完了，回收内存128K,依次合并：
自学b站博主的，切图学习。不打马萨克图放不上去。如有侵权，联系删除
二：非连续内存分配
非连续分配：零散的内存空间，类似于链表
优点：容易划分空间
1.页式管理
虚地址和实地址
页，页框
内存分配规则：以页为单位进行分配，逻辑上相邻的页和物理上不一定相邻。
逻辑地址：虚地址，比如页里面页号
物理地址：实地址，内存中单元的实际地址，可直接寻址。比如页框号
左边是虚地址，右边是实际地址
左边虚地址相邻，右边实地址不相邻
页：页内的地址空间是连续的，连续相同大小的内存框
分配
左边虚地址相邻，右边实地址不相邻
页，页框，页表的关系
框号的页内地址与页号的页内地址相同
页：每一个页长相同
页表：页号和页框号的映射关系，逻辑地址和物理地址的映射关系，因为每一个页长相同，所以没有页长
页表是保存在内存中的，是进程的一部分，每个进程都有一个页表
进程在执行，则页表起始地址保存在页表基址寄存器(基地址就是起始地址)
进程没有执行，则页表起始地址保存在进程控制块中
虚地址找到实地址必须通过页表找
内部碎片
分配
2.段式管理
段式设计思想
进程地址空间按某种逻辑关系划分为若干个段，每个段都有自己的名字
比如主程序段main,子程序段ADD,子程序段sum
段式内存分配
以段为单位分配，每段一片连续的内存空间，段之间可以不连续
段表
段长：因为每个页长相同，所以没有页长。反之，段长不同，所以要记录段长。防止越界
基地址：物理地址的起始地址
外部碎片
注意：页式产生的是内部碎片，段式产生的是外部碎片
3.段式与页式对比
可重入代码：多个进程允许同时访问公共区域代码。
页式多进程访问公共资源
特点：多了一张很大的页表
页表要比段表大的多
段式多进程访问公共资源
特点：多了一张段表
段表要比页表小的多
段式与页式对比
1):
页是物理单位，分页的目的是实现离散分配，减少外部碎片，提高内存利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要。
段是信息的逻辑单位，每段都有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了更好的满足用户的需要
2):
页大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，由硬件实现，在洗头中只有一种大小的页面
段长不固定，取决于用户编写的程序，通常由编译程序在对源程序编译时，由信息的性质划分。
3):
分页的地址空间对程序员是一维的
分段地址空间对程序员是二维的，程序员在标识一个地址时，即需给出段名，又需给出段内地址
4.段页式存储管理
4.1为什么设计段页式
为了综合段式和页式的优点，克服两者的缺点
4.2设计思想
先按照逻辑关系划分为段，然后再在段内分页划分。
内存划分的时候与页式一致，分配的时候以页为单位。
4.3虚地址转实地址过程
三：虚拟内存管理
一个进程需要的内存空间大于内存的总容量，不管连续分配还是非连续分配都不满足，容量不够。
虚拟内存管理：从硬盘划分内存
优点：即便进程大于内存总容量，也可以运行
功能：可以在较小的内存中运行要求较大的进程
实现方法：让不会同时执行的程序模块共享一片储存区
3.1覆盖技术原理-一个进程在较小的空间运行
覆盖技术原理：让不会同时执行的程序共享内存,不会同时执行就是没有调用关系
比如下图：
B-C:无调用关系，可以共享内存
D-E:无调用关系，可以共享内存
总大小：115K
实际大小：85K
优点：小空间运行大内存
缺点：增减编程难度，增加执行时间
3.2交换技术原理-多个进程在较小的空间运行
功能：可以增加正在执行，或者需要执行的进程的内存
实现方法：将暂时不执行的进程换出内存，将即将执行的进程换入内存。那么即将执行的进程，或者正在执行的进程内存就变大了
提示：换入换出的单位时整个进程
交换的时机（换出其他未执行的进程）：
1.正在执行的进程发现内存不足
2.即将进入内存执行的进程发现内存不足
换出：
当某进程运行中需要更多的内存空间，但又无足够的内存空间时，则系统将某进程换出。一般选择处于阻塞状态且优先级最低的进程换出。
换入：
系统定时查看所有进程的状态，从中找出“就绪态”状态且已换出的进程，将其中换出时间最久的进程换入
3.3覆盖技术与交换技术的比较
覆盖：
1.发送在同一个进程内的不同时执行的模块，无调用关系的模块
2.解决一个进程的空间需求无法满足的问题
交换：
1.以进程为单位
2.解决多个进程的空间需求无法满足的问题
3.4局部性原理
时间局部性
一条指令的第一次执行和下一次执行，一个数据的第一次访问和下一次访问都集中在一个较短的时期内。
通俗讲：一条指令循环的执行，间隔时间短
空间局部性
当前执行的指令和临近执行的几条指令，当前访问的数据和临近访问的几个数据都集中在一个较小的区域内。
通俗讲：需要执行第一条指令和第二条指令在空间上很近
分支局部性
一条条转指令的两次执行，很可能跳到相同的位置
通俗讲：比如if语句，多次执行，条件满足则条转到相同位置
3.5虚拟存储技术
3.5.1原理
1):装载程序的时候，仅将当前需要执行的页面或者段装入内存。
2):执行过程中所需要的程序或者数据不在内存，则将相应的页或者段调入内存。
3):将暂时不用的页或者段保存到外存中。
实现方式：
虚拟页式存储方式和虚拟段式存储方式
3.5.2虚拟页式存储管理页表机制
3.5.3虚拟页式存储管理页表地址转换
3.5.4缺页中断
缺页中断：每当要访问的页不在内存时，便产生缺页中断，请求系统将缺页调入内存
缺页中断特点：
1):在指令执行期间产生和处理中断信号，而非通常的在指令执行完之后检测处理中断
2):一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断
3.6置换算法
3.6.1最佳置换算法
选择换出的页，将是以后永不使用的或者最长时间内不再被访问的页。因无法预知哪个页下次调用时间，所以这是一种理想的算法
最佳置换算法：9次缺页处理
3.6.2先进先出置换算法（FIFO）队列类算法
总是将最先进入内存的页换出，或者选择在内存中驻留时间最久的页换出
3.6.3最近最久未使用置换算法（LRU）堆栈类算法
选择最近最久未使用的页换出，是一种用“最近的过去”作为“最近的将来”的估计的方法
具体方法：
用访问字段A来记录一个页自上次被访问以来经历的时间，当置换一个页时，选择经历时间t值最大的，即最近最久未使用的页换出。
3.6.4Clock置换算法
访问页面时，在页表项中记录下访问情况，缺页时，从上次查找结束的位置顺序查找未被访问的页面换出。
具体方法：页表中增加访问位，用来描述过去一段时间的访问情况，各个页面组织成循环链表，用一个指针指向最先调入的页。指针扫描循环链表，找到第一个未被访问的页换出。
3.7页框分配策略
3.7.1固定分配局部置换
为每个进程分配固定数目的页框（物理块），假设n个，如果发生缺页，则只能从这n个中选出一个换出
缺点：这种方法难以确定n的大小。n太小，则缺页频繁，系统吞吐量太低；n太大，则内存中能够驻留的进程数量少，系统并行率低。
3.7.2可变分配全局置换
系统保持一个空闲页框队列，为进程分配内存时首先给进程分配一定量的页框，当发生缺页时，吸引从空闲页框队列取出一个页框给进程，并将缺页装入。
特点：当空闲框队中的页框用完时，系统才能从内存中选择一页调出，该页可能是系统中任意进程的页，因此叫全局置换
3.7.3可变分配局部置换
首先为每个进程分配一定数目的页框，发送缺页时，只允许从该进程在内存的页中换出一页。
特点：若雀跃频繁，系统会适当的增加进程的页框数。若缺页率很低，则系统会适当减少进程的页框数目。
3.8抖动和工作集
3.8.1抖动
如果多道程度过高，导致过于频繁的页换入与换出，使得调度页的耗时比进程时机运行的时间还多，系统效率急剧下降的现象称为抖动。
产生的原因：内存中并行的进程过多，每个进程分到的页框数过少，缺页过于频繁，页换入换出耗时过大，导致cpu利用率过低，调度程序误以为cpu利用率低的原因是并行度不够高，就会增加多道程序的度，使得新进程进一步装入内存，反而导致cpu利用率下降。
解决方法：
1.增大内存空间，让程序分配到更多的页框，减少频繁换入换出
2.减少多道程序的度数（减少并行），让程序分配到更多的页框，减少频繁换入换出
3.8.2工作集
在当前一段时间内使用的页的集合。
驻留集：给进程分配的所有页框的集合
3.9案例题
1.
C
2.
C
3.
B
4.
B
5.
C
6.
B
7.
C
8.
A
9.
B
10.
B
11.
C
12.
A
13.
最近最久未使用置换算法（LRU）堆栈类算法
A
14.
C
15.
A
16.
D
17.
A
选择了IT，必定终身学习
