第4章 存储器管理

思维导图：

存储器管理:
1）重点是内存管理，对其有效的管理直接影响存储器的利用率、系统性能。
1.存储器资源的分配和回收
2.地址变换（逻辑地址与物理地址的对应关系维护）
3.存储共享和保护
4.虚拟存储的调度算法
2）外存的管理：磁盘存储器管理、文件系统等中涉及。

一、程序的装入和链接
多道程序环境下，程序运行必须为之先建立进程。
创建进程的第一件事：将程序和数据装入内存。
1）程序进内存的一般过程：
1.编译compiler：编译程序：将用户源代码编译成若干个目标模块。
2.链接link：链接程序：将形成的一组目标模块，及它们需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
3.装入load：由装入程序将装入模块装入内存，构造PCB，形成进程，开始运行(使用物理地址)。

2）地址的概念
1.逻辑地址（相对地址，虚地址）
用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码中的指令地址是相对地址。
2.物理地址（绝对地址，实地址）
内存中存储单元的地址。
物理地址可直接寻址被执行。
3.地址映射：
将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的内存物理地址的过程。

3）程序装入中的地址处理
1.逻辑地址 ====== 物理地址：
绝对装入方式(absolute loading):编译程序生成的“目标代码”就是”装入模块” ，逻辑地址直接从某个地址R处增长，装入模块 直接装入内存地址R处。
（1）物理地址由谁生成？
一般由编译或汇编程序给出；
或由程序员赋予(要求程序员熟悉内存使用情况)
2.逻辑地址 ->重定位-> 物理地址：
静态可重定位装入方式(relocatable loading mode)：地址映射在程序执行之前进行，重定位后物理地址不再改变。
（1）重定位：把目标程序中的指令和数据的逻辑地址变成内存中的物理地址的地址变换过程。
动态运行时（重定位）装入方式(dynamic run-time loading)

4）不同的程序链接方式
根据链接时间的不同，分成三种：
1.静态链接：装入运行前将多个目标模块及所需库函数链接成一个整体，以后不再拆开。
2.装入时动态链接:装入内存时，边装入边链接的链接方式。
3.运行时动态链接：对某些目标模块的链接，在执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。

二、连续分配存储管理方式
1）单一连续分配
最简单的一种存储管理方式，只能用于单用户、单任务的操作系统中。
内存分为系统区和用户区两部分：
系统区：仅提供给OS使用，通常放在内存低址部分
用户区：除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。
2）固定分区分配
把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用进程占用一个分区。操作系统占用其中一个分区。
划分为几个分区，便只允许几道作业并发
具体实现：
（1）如何划分分区大小
1.分区大小相等
2.分区大小不等
（2）需要的数据结构
1.建立一记录相关信息的分区表（或分区链表），表项有:| 起始位置 | 大小 | 状态 |
2.分区表中，表项值随着内存的分配和释放而动态改变
（3）分配回收操作
1.分区表分为两个表格：空闲分区表/占用分区表
2.用检索算法
3）动态分区分配
1.分区的大小不固定：在装入程序时根据进程实际需要，动态分配内存空间，即——需要多少划分多少
2.空闲分区表项：从1项到n项：
3.具体实现:
（1）分区分配中的数据结构
1.1空闲分区表：
记录每个空闲分区的情况。
每个空闲分区对应一个表目，包括分区序号、分区始址及分区的大小等数据项。
1.2空闲分区链：
每个分区的起始部分，设置用于控制分区分配的信息，及用于链接各分区的前向指针；
分区尾部则设置一后向指针，在分区末尾重复设置状态位和分区大小表目方便检索。
（2）分区分配算法
首次适应算法FF
1.1空闲分区排序：以地址递增的次序链接。
1.2检索：分配内存时，从链首开始顺序查找直至找到一个大小能满足要求的空闲分区；
1.3分配：从该分区中划出一块作业要求大小的内存空间分配给请求者，余下的空闲分区大小改变仍留在空闲链中。
循环首次适应算法
2.1空闲分区排序：按地址
2.2检索：从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求的空闲分区。为实现算法，需要：设置一个起始查寻指针、采用循环查找方式
2.3分配：分出需要的大小
最佳适应算法
3.1空闲分区排序：所有空闲分区按容量从小到大排序成空闲分区表或链。
3.2检索：从表或链的头开始，找到的第一个满足的就分配
3.3分配：分出需要的大小
最差适应算法：基本不留下小空闲分区，但会出现缺乏较大的空闲分区的情况。
快速适应算法
（3）分区分配操作
1.分配内存：找到满足需要的合适分区，划出进程需要的空间
2.回收内存

4）动态重定位分区分配
1.地址变换过程是在程序执行过程期间（相对地址与重定位寄存器中的地址相加），随着对每条指令的访问自动进行，称为动态重定位。
2.动态重定位分区分配算法与动态分区分配算法基本相同，差别在于增加了紧凑的功能。
5）其他
（1）、内存空间管理之对换
1.当内存空间还是满足不了需求时，引入“对换”
2.按对换单位分类：
2.1整体对换(或进程对换)：以整个进程为单位（连续分配）
2.2页面对换或分段对换：以页或段为单位（离散分配）

三、 分页存储管理方式
分页的目的是更细粒度的处理空间，减少粗放管理的浪费或开销问题。
1）页面的概念
1.内存划分成多个小单元，每个单元K大小，称（物理）块。作业也按K单位大小划分成片，称为页面。
2. 物理划分块的大小 = 逻辑划分的页的大小
3. 页面大小要适中。
2）页表的概念
1.为了找到被离散分配到内存中的作业，记录每个作业各页映射到哪个物理块，形成的页面映射表，简称页表。（每个作业有自己的页表）
2.页表的作用：
页号到物理块号的地址映射
3.要找到作业A
关键是找到页表（PCB）
根据页表找物理块
3）地址的处理
1.连续方式下，每条指令用基地址+偏移量即可找到其物理存放的地址。
2.作业相对地址在分页下不同位置的数有一定的意义结构：
页号+页内地址（即页内偏移）
3.关键的计算是：根据系统页面大小找到不同意义二进制位的分界线
4）地址变换机构
1.地址变换过程
分页系统中，进程创建，放入内存，构建页表，在PCB中记录页表存放在内存的首地址及页表长度。
1.1运行某进程A时，将A进程PCB中的页表信息写入PTR中；
1.2每执行一条指令时，根据分页计算原理，得到指令页号X和内部偏移量Y；
1.3CPU高速访问PTR找到页表在哪里；
1.4查页表数据，得到X实际对应存放的物理块，完成地址映射计算，最终在内存找到该指令。
2.进程发出逻辑地址的访问请求，经过地址变换，到内存中找到对应的实际物理地址单元并取出数据，所需花费的总时间，称为内存的有效访问时间EAT
5）引入快表——针对访问速度问题
1.快表放什么？
正在执行进程的页表的数据项。
6）两级、多级页表，反置页表——针对大页表占用内存问题
进程分页离散存放，但页表的数据是连续在存放内存的
（1）两级页表
将页表分页，并离散地将页表的各个页面分别存放在不同的物理块中
为离散分配的页表再建立一张页表，称为“外层页表”，其每个表项记录了页表页面所在的物理块号。
（2）多级页表
（3）反置页表
每个进程的页表=一张OS 反置页表 + 每进程一张外部页表
7）基本分段存储管理方式
1.从提高内存利用率角度:
固定分区 -> 动态分区->分页
2.从满足并方便用户（程序员）和使用上的要求角度：
分段存储管理：作业分成若干段，各段可离散放入内存，段内仍连续存放。
（1）分段系统的基本原理
1.程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，每个段定义一组逻辑信息。如代码段（主程序段main，子程序段X）、数据段D、栈段S等。
2.分段下的相对地址：
地址结构：段号 + 段内地址
段表：记录每段实际存放的物理地址
（2）段表与地址变换机构
段是连续存放在内存中。段表中针对每个“段编号”记录：“内存首地址”和“段长”。
（3）分页和分段的主要区别
3.1需求：分页是出于系统管理的需要，是一种信息的物理划分单位，分段是出于用户应用的需要，是一种逻辑单位，通常包含一组意义相对完整的信息。
一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。
3.2大小：页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。分段没有内碎片，但连续存放段产生外碎片，可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。
3.3逻辑地址：
分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；
分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。
3.4其他：通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。分段模式下，还可针对不同类型采取不同的保护；按段为单位来进行共享
（4）信息共享
分段系统的突出优点：
易于实现共享
易于实现保护
（5）段页式存储管理方式
1.基本原理
将用户程序分成若干段，并为每个段赋予一个段名。
把每个段分成若干页
地址结构包括段号、段内页号和页内地址三部分
2.地址变换过程