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内存管理

3.1内存管理概述

内存管理的功能

1. 内存的分配与回收
2. 内存的保护与共享
3. 实现地址转换
4. 内存的扩充

地址转换（重定位）

静态重定位：作业装入内存时，由装入程序实现逻辑地址到物理地址的转换，地址转换在作业执行前一次完成。

动态重定位：CPU在访问程序和数据前才实现逻辑地址到物理地址的转换，将逻辑地址和定位寄存器中的值相加得到物理地址，在程序执行过程中动态进行。

二者对比：静态重定位实现简单、不需要硬件；但必须为程序分配连续空间、执行过程中不能移动；动态重定位更灵活，可以实现程序在内存中的移动，便于实现内存的动态扩充和共享，但需要硬件支持、管理复杂。

覆盖与交换

覆盖：按照程序自身的逻辑结构，让不同时运行的程序段共享同一块内存区域。

交换：将暂时不运行的进程或程序段从内存移到外存交换区，当内存空间富余时再进入内存。

对比：

1. 覆盖对用户不透明，编程时需要划分模块间的覆盖关系，增加复杂度
2. 从外存装入覆盖文件，是用时间换取空间
3. 交换发生在进程或作业之间，覆盖发生在同一进程或作业内
4. 覆盖只能覆盖与覆盖段无关的程序段

3.2分区内存管理

单一连续内存管理

简单地将内存划分为系统区和用户区，任何情况下内存中最多只有一道程序。

优点：简单、开销小；缺点：内存、CPU、外部设备利用率低，不能进行内存扩充。

固定分区内存管理

划分成大小固定的连续区域，每个分区只能装入一个作业；分区大小可相等可不等。

缺点：内存利用率不高、内部碎片严重，容纳程序的大小有限；

可变分区内存管理

分配算法

1. 最先适应分配算法

   每次都从最开始查找，将第一个满足长度要求的分配给作业使用；

2. 循环首次适应分配算法

   从上次为作业分区后的位置开始查找...

3. 最优适应分配算法

   将空闲分区由小到大排序，选择满足条件的最小的分区

4. 最坏适应分配算法

   反之

5. 快速适应分配算法

   空闲分区按长度归类，为每种长度设立单独的双向空闲分区链表；根据作业大小查找双向空闲分区链表，找到能容纳的最小分区链表的起始指针，从中选取第一个空闲分区。

算法	思想	优点	缺点
最先	从头到尾找适合的分区	保留了高地址空闲分区，便于容纳大作业	每次都从头开始，时间长；低地址被划分为小碎片
循环首次	由首次适应演变而 来，每次从上次查找结束位置开始查找	使空闲分区分布更均匀、时间更短	小碎片问题
最优	优先使用更小的分 区，以保留更多大分区	大作业开心、内存利用率高	小碎片占据开始部分，查找开销大
最坏	优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用的碎片	效率高，利好中小作业	不利于大作业装入
快速	按长度归类，链表管理	查找空闲分区迅速、也能保留大空间	回收分区困难、算法复杂、系统开销大

紧凑技术

汇聚小内存的同时增加了系统开销，不是任何时候都能移动。

3.3页式存储管理

物理块的大小由计算机硬件系统决定，页的大小由物理块的大小决定

若每个页面大小为2^kB，则二进制表示的末尾的k位为页内偏移量，其余部分为页号；

页面大小与页内偏移量位数有关系；

页式地址转换：

其中②可能会被遗漏；

3.4段式存储管理

段表有段号、段长、段起始地址

作业表有作业名、段表始地址、段表长度

逻辑地址包括段号和段内偏移量，其中段号限制了最多的段数，段内偏移量决定段长

段式地址转换

其中④是特别的一步；

分段与分页的比较

• 段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构决定，用户可见；

• 段长可根据用户需要来规定；

• 段起始地址可以从任何地址开始；

• 在分段方式中，源程序（段号、段内偏移）经连接装配后仍保持二位结构；

• 页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关，用户不可见；

• 页长由系统决定；

• 页面只能以页大小的整数倍地址开始；

• 在分页方式中，源程序（页号、页内偏移）经连接装配后变成了一维结构；

段页式存储管理

逻辑结构为：段号-页号-页内位移

3.5虚拟存储技术

程序局部性原理

时间局部性：如果程序中的某一条指令被执行，在不久之后该指令可能被再次执行；数据访问；

空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后在其附近存储单元也将被访问；

虚拟存储技术的思想

将外存作为内存的扩充，作业运行不需要将全部信息放入内存，将暂时不运行的作业信息放入外存，从逻辑上扩充内存；

3.6请求虚拟页式存储管理

基本原理

在页式存储管理的基础上增加了请求调页和页面置换功能；

1. 物理内存被划分为等长的物理块，并对块编号；用户程序也进行分页；
2. 程序被调度运行时，先将少数页装入内存，随着程序运行，若所访问的页在内存中，其管理情况与分页存储管理相同；
3. 若所访问数据不在内存，会产生缺页中断，到外存寻找相应的页并装入内存空闲块中；
4. 装页发现无空闲块，则需要通过页面置换功能从内存的页中挑选一个替换出去；

页面置换算法

下面4种都是基于固定分配，局部置换策略的

课后习题

1.内存管理的基本功能是什么？

答案：操作系统的内存管理主要包括以下功能：

1. 内存的分配和回收：操作系统根据用户程序的请求，在内存中按照一定算法把找到 一块空闲，将其分配给申请者；并负责把释放的内存空间收回，使之变为空闲区。

2. 提高内存的利用率：通过多道程序共享内存，提高内存资源的利用率。

3. 通过虚拟存储技术“扩充”内存容量：使用户程序在比实际内存容量大的情况下， 也能在内存中运行。

4. 内存信息保护：保证各个用户程序或进程在各自规定的存储区域内操作，不破坏操 作系统区的信息，并且互不干扰。

5. 什么是逻辑地址，什么是物理地址，为什么要实现地址转换？

   答案：用户的源程序通常用高级语言编写，源程序通过编译或汇编后得到目标程序。 目标程序使用的地址称为逻辑地址，也叫相对地址；程序在物理内存中的实际存储单元称 为物理地址，也叫绝对地址。只有把程序和数据的逻辑地址转换为物理地址，程序才能正 确运行，该过程称为地址转换或地址重定位。

6. 可变分区存储管理中有哪些内存分配方法？比较它们的优缺点。

   答案：有最先适应分配算法，循环首次适应分配算法，最优适应分配算法，最坏适应 分配算法，快速适应算法。 从搜索空闲区速度及内存利用率来看，最先适应分配算法、循环首次适应分配算法和最 优适应算法比最坏适应算法性能好。如果空闲区按从小到大排列，则最先适应分配算法等于 最优适应分配算法。反之，如果空闲区按从大到小排列，则最先适用分配算法等于最坏适应 分配算法。空闲区按从小到大排列时，最先适应分配算法能尽可能使用低地址区，从而，在 高地址空间有较多较大的空闲区来容纳大的作业。下次适应分配算法会使存储器空间得到均 衡使用。最优适应分配算法的内存利用率最好，因为，它把刚好或最接近申请要求的空闲区 分给作业；但是它可能会导致空闲区分割下来的部分很小。在处理某种作业序列时，最坏适 应分配算法可能性能最佳，因为，它选择最大空闲区，使得分配后剩余下来的空闲区不会太 小，仍能用于再分配。由于最先适应算法简单、快速，在实际的操作系统中用得较多；其次 是最优适应算法和下次适应算法。

7. 什么是紧凑技术，什么情况下采用？

   答案：紧凑技术就是把内存中的作业改变存放区域，使分散的空闲区能够汇聚成一个 大的空闲区，从而有利于大作业的装入。 当系统运行一段时间后，内存被多次分配和回收，会产生许多不连续的空闲空间。有可 能出现这样的现象：内存中每一块空闲空间都不能满足某一作业的内存请求，而所有空闲空 间的总和却能满足该作业，这时可采用紧凑技术。

8. 什么是交换技术？什么情况下采用？ （将“移动”更正为“交换”）

   答案：为了释放部分内存空间，由操作系统根据需要，将某些暂时不运行的进程或程 序段从内存移到外存的交换区中；当内存空间富余时再给被移出的进程或程序段重新分配内 存，让其进入内存，这就是交换技术，又称为“对换”或“滚进/滚出(roll-in/roll-out)。 当剩余内存不足，而又有新的进程要进入内存时，可应用交换技术。

9. 叙述页式存储管理系统中的地址转换过程。

   答案：当处理器给出某个需要访问的逻辑地址时，地址转换机构自动地从逻辑地址 的低地址部分得到页内偏移，从高地址部分得到页号。将页号与页表寄存器中的页表长度 进行比较，如果页号大于或等于页表长度，表示该页在页表中没有相应项，本次所访问的 地址已经超越进程的地址空间，会产生地址越界中断；否则，从页表寄存器得到页表在内 存中的起始地址。将页号和页表项长度的乘积再加上页表的起始地址，得到该页的页表项 在页表中的位置，从而可以查到该页在内存中的物理块号。最后，将页内偏移装入物理地 址寄存器的低位字段中，将物理块号装入物理地址寄存器的高位字段中，此时物理地址寄 存器中的内容就是地址转换机构给出的物理地址。

10. 比较分页与分段存储管理的差异。

    答案：段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构所决定，用户可见，段长可根据用 户需要来规定，段起始地址可以从任何地址开始。在分段方式中，源程序(段号，段内偏移) 经连结装配后仍保持二维结构。 页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关，用户不可见，页长由系统确定，页面 只能以页大小的整倍数地址开始。在分页方式中，源程序(页号，页内偏移)经连结装配后变 成了一维结构。

11. 页式存储管理中，试分析大页面与小页面各自的优缺点。

    答案：如果页面较小，页数就要增加，页表也随之扩大，为了控制页表所占的内存空 间，应选择较大的页面尺寸。 内存以块为单位，一般情况下进程的最后一个页面总是装不满一个物理块，会产生内部 碎片，为了减少内部碎片，应选择小的页面尺寸。 作业存放在辅助存储器上，从磁盘读入一个页面的时间包括等待时间（移臂时间+旋转 时间）和传输时间，通常等待时间远大于传输时间。显然，加大页面的尺寸，有利于提高 I/O 的效率。 综合考虑以上几点，现代操作系统中，页面大小大多选择在 512 B 到 4KB 之间。

12. 段页式存储管理中怎样划分逻辑地址空间？

    答案：段页式存储管理的基本原理。 1．程序根据自身的逻辑结构划分成若干段，这是段页式存储管理的段式特征。 2．内存的物理地址空间划分成大小相等的物理块，这是段页式存储管理的页式特征。 3．将每一段的线性地址空间划分成与物理块大小相等的页面，于是形成了段页式存储 管理。 4．逻辑地址分 3 个部分：段号、段内页号和页内位移，其形式为：

13. 如果一个分页系统能够向用户提供的逻辑地址最大为 16 页，页面大小为 2K，内存总共有 8 个存储块。请问逻辑地址应该为多少位？内存空间为多 大？

    答案：因为逻辑地址最大页数量 为 16=24 ，所以逻辑地址中，表示页号需 要用 4 位； 又因为页面大小为 2K=211，表示业内地址需要用 11 位，所以整个逻辑地址 应该为 4+11=15（位） 因为页面大小为 2K，所以内存块大小也是 2K，又因为共有 8 个物理内存块， 所以总共内存空间为 8*2K =16K。

14. 什么是虚拟存储技术？叙述实现虚拟存储管理的基本思想。

    答案：将作业不执行的部分暂时存放在外存，待到进程需要时，再将其从外存调入内 存。将外存作为内存的补充，从逻辑上扩充内存，这就是虚拟存储技术。 虚拟存储技术的思想：将外存作为内存的扩充，作业运行不需要将作业的全部信息放入 内存，将暂时将不运行的作业信息放在外存，通过内存与外存之间的对换，使系统逐步将作 业信息放入内存，最终达到能够运行整个作业，从逻辑上扩充内存的目的。

15. 请求页式虚拟存储管理中的页面置换算法有哪几种？各有何特点？

    答案：先进先出（FIFO）页面置换算法：先进先出页面置换算法开销低、容易编程实 现，适合于线性顺序特性好的程序。但是该算法没有考虑到页面的访问频率，很可能刚被换 出的页面马上又要被访问，使得缺页率偏高。 最佳（OPT）页面置换算法：最佳页面置换算法具有最低的缺页率。最佳页面置换算法 只是一种理想化的页面调度算法，很难实现。但是，该算法可以作为评判其它的置换算法的 准则 最近最久未使用（LRU）页面置换算法：LRU 算法能够合理地预测程序运行状态，具有 很好的置换性能，被公认为是一种性能好且可以实现的页面置换算法，但是 LRU 算法在实现 起来比较复杂。 时钟（clock）置换算法：兼顾了效率与公平，是一种性能较好的算法。

16. 请指出缺页中断和一般中断的区别。

    答案：1）CPU 检测中断的时间不同。对一般的中断信号，CPU 是在一条指令执行完 后检测其是否存在，检测时间以一个指令周期为间隔。而对缺页中断信号，CPU 在一条指 令执行期间，只要有中断信息就可检测，不需要等待一个指令周期。因此，CPU 检测缺页 中断更及时。 2）CPU 可以多次处理。如果在一个指令周期中多次检测到缺页中断，CPU 都会及时处理。