内存分配与内存管理的一些理解

内存分配方式与内存分配算法

内存分配方式有两种,连续内存分配方式和离散内存分配方式。不同的分配方式又有不同的分配算法。

内存分配算法,其实就是:有一大块空闲的资源,如何合理地分配资源?内存分配的思想可以用到很多其他的领域。比如Java虚拟机是如何将内存分配与回收的?再比如文件系统是如何将磁盘块分配与回收的?其本质就是如何把空闲的资源分配出去,分配之后又如何回收?目标就是分配快,回收也快,而且还不浪费。那么,就需要根据资源的特点、以及应用场景做权衡从而选择何种方式进行分配与回收。

 

①连续内存分配方式

1)固定分区分配

将内存划分成若干个固定大小的块。将程序装入块中即可。内存划分成各个块之后,块大小不再改变。当然,划分块的方式有:所有的块大小相等;划分的块大小不相等。

这种方式,在实际的内存分配之前,就已经知道了所有的内存块大小了。

 

2)动态分区分配

需要一个空闲表 或者 空闲链 来记录目前系统中空间的内存区域。在内存分配时,需要查找空间表或空闲链找到一块内存分配给当前进程。

 

动态分区分配算法:

a)首次适应法

b)循环首次适应法

c)最佳适应法

d)最坏适应法

e)快速适应法

 

3)可重定位分区分配

说白了,就是增加了内存移动的功能。由于若干次内存分配与回收之后,各个空闲的内存块不连续了。通过“重定位”,将已经分配的内存“紧凑”在一块(就类似于JVM垃圾回收中的复制算法)从而空出一大块空闲的内存出来。

”紧凑“是需要开销的,比如需要重新计算 地址,这也为什么JVM垃圾回收会导致STW的原因。

而离散分配方式--不管是分页还是分段,都是直接将程序放到各个离散的页中。从而就不存在“紧凑”一说了。

 

连续内存分配方式涉及两种操作:内存分配操作 和 内存回收操作

 

②离散内存分配方式

内存资源是有限的,程序要运行,必须得加载到内存。如果内存已经满了,而现在又有新的程序要运行,怎么办?---SWAP

把当前不用的程序(数据)先换出内存,从而就有空间 加载当前需要运行的程序的一部分数据进入内存,这样大大提高了内存的利用率。

由于牵涉到换入与换出,前面的连续内存分配方式就有点不适用了。因为,最明显的一个问题:对于连续内存分配方式,究竟换出哪部分数据呢?

而这种只装入部分"数据"就可以使程序运行的机制,就是虚拟存储器的本质。

 

1)分页存储管理

将进程的逻辑地址空间分成若干大小相等的页面;同时,也将物理内存分成相等大小的页面(称为块或frame)。在为进程分配内存时,以块为单位将进程的若干页 可以 装入到内存中多个不邻接的物理块中。

从上可以看出:“离散” 体现在:进程在内存中分配的空间(物理块)是不连续的。而对于连续分配方式,进程在内存的分配的空间是连续的。

现在考虑32位系统,每个物理块的大小为4KB。如何把逻辑地址 转换成 物理地址?

对每个进程而言,都有着自己的页表。页表的本质就是逻辑地址到物理地址的映射。

分页存储中的逻辑地址的结构如下:

1)由于进程的逻辑页面大小与物理块(页帧)大小相同,故都为4K,因此需要12个位表示4K的大小(2^12=4K),即图中的【0-11】

2)【12-31】表示的是页号。一共有20个位表示页号,也即:对于一个进程而言,一共可以有1M(2^20=1M)个页。

3)每个进程的逻辑地址空间范围为0-2^32-1,因为:每个页大小为4K,一共有1M个页。故进程可用的逻辑空间为2^32B

 

逻辑地址到物理地址的转换需要用到页表。具体细节是有一个“地址变换机构”,它有一个寄存器保存页表在内存的起始地址 以及 页表的长度

上面提到,一个进程最多可以有1M个页,故页表就有1M个页表项。假设每个页表项只有1B,那页表的大小也有1MB,所以:一般而言,页表也是很大的,不能全放在寄存器中,故页表也是存储在内存中的。(有些机器有“快表”,快表就是一个寄存器,它保存了页表中的部分表项);其次,也可以使用多级页表以解决单个页表太大的问题。

那现在给定一个逻辑地址,怎么知道其物理地址呢?

①将【12-31】位的页号与 页表的长度比较。页号不能大于页表长度,否则越界。

②根据页号 找到 该页号所在的页表项,即该页号对应着哪个页表项。因为,页表项里面就存放着物理地址。

那如何查找页表项呢?将页号乘以页表项的长度(每个页表项,其实就是一个逻辑的页 到 物理页 的映射信息),就知道了该逻辑页对应着哪个页表项(根据页号匹配页表项一般是由硬件完成的)

然后,正如前面提到,页表也是保存在内存中的,故需要页表的内存始址(这是也为什么地址变换机构 保存 页表在内存的起始地址的原因),将页表始址 与 上面的乘积相加,就得到了该逻辑页对应的页表项的物理地址。读这个页表项的物理地址中的内容,就知道了该逻辑页对应的物理块地址(物理地址)。从而,就完成了逻辑地址到物理地址的转换。

从上面可以看出,CPU每存取一个数据时,需要两次访问主存。一次是访问页表项的物理地址,得到了数据的物理块地址。第二次拿着物理块地址去取数据。

在分页存储管理方式下:由于取一个数据,需要二次访存,CPU处理速度降低了一半,正由于这个原因:引入了“快表”(又称TLB(Translation Lookaside Buffer)),快表是个寄存器,用来保存那些当前访问过的页表项。从而,读页表项时,不需要再访存了,而是直接从寄存器中读取。

 

虚拟存储器

谈到虚拟存储器,总是说它从逻辑上扩充了内存的容量,why?

内存是有限的,作业初始时保存在磁盘上的,如果要运行,必须得将相应的程序(数据)加载到内存中。那如果要运行的作业特别多,无法一下子装入内存,怎么办?

一种方式是加内存条,这是从物理上扩充内存的容量。

另一种方式是:先把作业的一部分程序(数据)装入内存,先让它运行着,运行过程中发现: 咦,我还需要其他的数据,而这些数据还未装入内存,因此就产生中断(缺页中断)再将数据加载到内存。

采用这种方式,系统一次就可以将很多作业装入内存运行了。这时,从物理上看,内存还是原来的大小,但是它能运行的作业多了,因此说从逻辑上扩充了内存。

将虚拟存储器这种思想与分页存储管理结合,一次只将作业的部分页面加载到内存中,形成了一个强大的内存分配与管理系统了。引入了虚拟存储器,同样需要有页表,记录逻辑地址到物理地址的映射,只不过此时的页表更复杂了,因为,有些页可能还在磁盘上。;还需要有缺页中断处理机构,因为毕竟只将一部分数据装入内存,会引起缺页中断嘛,就需要处理中断嘛;还需要地址变换机构,这里的地址变换机构功能更多,因为需要处理中断情况下的地址变换。

 

2)分段存储管理

与分页比较相似,不介绍了。

posted @ 2016-07-22 17:27  hapjin  阅读(10493)  评论(1编辑  收藏  举报