第3章内存管理(1)

3.1 内存管理概念

程序放入内存才能执行【缓解CPU与硬盘速度差异大的矛盾】

3.1.1 内存管理的基本原理和要求

内存管理的主要功能：
- 1.内存分配与回收
- 2.地址转换:逻辑地址转换成物理地址
- 3.内存空间的扩充
- 4.内存共享
- 5.存储保护
  - ①设置上下限寄存器
  - ②采用重定位寄存器(基地址寄存器)和界地址寄存器(限长寄存器)进行越界检查,若出现问题就抛出异常。

程序的链接与装入

编译:源代码编译成多个目标模块。
链接:将多个模块链接成一个完整模块。【形成完整逻辑地址】
- (1) 静态链接:程序运行前就把所有模块和所需库函数链接到一起。
  - ①修改相对地址
  - ②变换外部调用符号
- (2)装入时动态链接:装入内存时链接。
- (3)运行时动态链接:在运行时仅当需要模块时才加载进来。【可以加快装入过程,节省内存空间】
装入:将程序加载进内存。
将【逻辑地址】(相对地址)映射到【绝对地址】(物理地址)
- (1) 绝对装入
  解释:知道程序放在哪个位置,在编译时将地址修改成物理地址。
  适用于:无操作系统时期的弹道程序环境,灵活性低。
- (2)可重定向装入【静态重定位】
  解释:在程序装入内存时才逻辑地址改为物理地址。
  适用于:早期多道批处理操作系统。
  缺点:装入内存时必须分配全部空间。
- (3)动态运行时装入【动态重定位】
  解释:装入内存时保持使用逻辑地址。使用重定位寄存器保存模块起始位置。在CPU执行时才将逻辑地址和重定位地址相加获取实际地址。
  适用于:现代计算机系统
  优点:不需要分配连续内存,可以仅仅装入部分代码运行,动态申请分配内存。便于程序段的共享。

3.1.2 覆盖于交换`[新大纲已删除]`

3.1.3连续分配管理方式

连续分配方式是指的为一个用户程序分配一个连续的内存空间。

(1)单一连续分配:
解释:内存划分成系统区【操作系统使用】和用户区【用户进行独占使用】。一次性只能加载运行一个进程。
优点:简单无外部碎片。无需内存保护。
缺点:只适用于单用户单任务系统,存在内部碎片,利用率低。
(2)固定分区分配:
解释:内存划分成若干固定大小的区域,一个分区只能装入一个作业。仅当有空闲分区时才从后备作业队列选择合适大小的作业装入。
优点:简单无外部碎片。
缺点:存在内部碎片,利用率低。
存在问题:程序过大,放不经分区。固定分区过小,也占用完整分区,浪费空间。
- 分区大小相同:分区过大容易导致浪费,分区过小程序无法装入。
- 分区大小不同:划分多个小分区,适量中等分区,少量大分区。
(3)动态分区分配:
解释:不会预先分配内存空间,转入时根据进程大小动态建立分区。
优点:无内部碎片
缺点:有外部碎片
紧凑技术:通过将进程移动到相邻空间,从而让出更大连续空间。可以解决外部碎片。

内存分区的分配与回收:

分配
- 空闲区大于所需空间：修改空闲分区表的起始位置和大小。
- 空闲区等于所需空间：删除对应的分区表元素。
回收
- 回收空间有一边相邻空闲空间 ：将回收的空间与相邻空闲空间合并。修改空闲分区表的值。
- 回收空间两边都有相邻空闲空间：合并三个分区,修改其中一个空闲分区表的元素并删除另一个元素
- 前后都无相邻空闲空间：新添空闲分区表元素。根据具体算法排列。

动态分区的分配策略:

首次适应算法
解释:空闲分区以地址递增的次序链接。从链首顺序查找第一个合适的空闲分区。
评价:综合性能最好,很小概率导致后面的大分区被小进程划分变很小,能装下较大进程。不需要重新排列分区表。碎片容易聚集在低地址。
邻近适用
解释:在首次适应算法的基础上,从上一次查找的位置往后查找。
评价:由于不是从第一个开始查找,很大概率将后面的大分区划分得非常小,导致不能装入大进程【最坏适应算法的缺点】。不需要重新排列分区表。
最佳适应
解释:将空闲区按照容量从小到大排序,然后从链头向后查找。找到第一个满足要求的最小空间。
评价:容易产生很多外部碎片。
最坏适应
解释:将空闲空间安州容量从大到小排序,每次适用链头的哪个空间。
评价:不断地使用最大连续空间,大进程可能无法装入。

3.1.4 基本分页存储管理

进程的块称为页或者页面。【逻辑划分】
内存的块称为页框或者页帧。【物理划分】
页(页面)的大小和页框(页帧)的大小相等。
每个进程的页表都是私有，不可共享。

页的逻辑结构:页号+页内偏移量
页表项的结构:页号【不需要保存】+块号
页表寄存器结构:页表起始地址+页表长度

页表会在内存中长期驻留,无论当前是否在运行中。
在进行进程调度时,会将新进程的PCB中的页表起始地址和页表长度写入页表寄存器。
页表访存需要经过2次访存:访问页表,访问数据。

页表的访问流程:
- 1.根据逻辑地址中的页号和页表寄存器 中的页表长度对比。如果页号大于等于页表长度,产生越界中断。
- 2.根据页号和页表起始地址获取页表项从而获知数据的物理块号。
- 3.根据物理块号地址和页内偏移量获取实际物理地址。
页式管理是一维地址，只需要一个信息就能获取实际物理位置。
使用快表加速地址变换:
- 块表: 是一种高速缓冲存储器 。全相联存储器【根据内容访问数据】。
- 访问流程:
  - 1.使用逻辑地址中的页号 查找块表中的数据。如果没有找到,接下来流程和无块表的流程一样。
  - 2.找到块表内容,将块表中对应表项的块号和页内偏移量转换成物理地址。
多级页表:
- 使用目的: 页式存储是一种非连续的存储方式。如果页表项过多,会导致需要大量连续空间存储页表,与目的相违背。还有局部性原理,程序运行不必加载完全部内容才开始运行。
- 使用多级页表基地址寄存器存放的是顶级页表的地址。

虚拟存储应用:给页表项添加一个标志位,判断是否在页面中,不在发生缺页中断。

3.1.5 基本分段存储管理

根据逻辑和和功能划分。
分段管理满足方便编程,信息保护,动态增长,动态链接的需求。
编译程序时将各段转化成段号。

段的逻辑结构:段号+页内偏移量
段表项的结构:段号【不需要保存】+段长+段的起始物理地址
段表寄存器结构:段表起始地址+段表长度

在进行进程调度时,会将新进程的PCB中的段表起始地址和段表长度写入段表寄存器。

页表的访问流程:
- 1.根据逻辑地址中的段号和段表寄存器 中的页表长度对比。如果段号大于等于段表长度,产生越界中断。
- 2.根据段号和段表起始地址获取段表项从而获知数据的物理块号。
- 3.根据物理块号地址和页内偏移量获取实际物理地址。
段的共享与保护:
- 共享: 让需进程的段表指向相同地址。
- 保护: 只需标记是否允许访问。
段式管理是二维地址，只需要一个段号和段内偏移量。

在这里插入图片描述

3.1.6 段页式管理

段和页的对比

	页	段
大小是否固定	是	否
是否有外部碎片	无	有
是否有内部碎片	有	无
内存利用率	高	低,段过长,分配连续空间不便
管理	操作系统管理,对用户透明	用户和操作系统共同管理
维度	一维	二维