前言

参考王道书。
后续会进一步整理，包括添加笔记内容，标明参考资料。

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一、操作系统的内存管理功能

• 操作系统负责内存空间的分配与回收
• 操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
• 操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换
• 操作系统需要提供内存保护功能。保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰

二、内存空间的分配与回收

操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，要管些什么呢?

操作系统要怎么记录哪些内存区域已经被分配出去了,哪些又还空闲?

当进程运行结束之后，如何将进程占用的内存空间回收?

很多位置都可以放，那应该放在哪里?

连续分配管理方式

连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

• 单一连续分配
• 固定分区分配
• 动态分区分配

单一连续分配

• 在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。
• 系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据
• 用户区用于存放用户进程相关数据。
• 内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。

优点

• 实现简单
• 无外部碎片
• 可以采用覆盖技术扩充内存
• 不一定需要采取内存保护（eg：早期的PC操作，系统MS-DOS）

缺点

• 只能用于单用户、单任务的操作系统中
• 有内部碎片
  内部碎片：分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，就是“内部碎片”
• 存储器利用率极低。

固定分区分配

20世纪60年代出现了支持多道程序的系统。为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

固定分区分配分为两种：

• 分区大小相等
• 分区大小不等
  

分区大小相等

缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合

如：钢铁厂有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序

分区大小不等

增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。
根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分

如：划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区

分区说明表

操作系统需要建立一个数据结构–分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。

• 每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。

• 每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）。

• 用数据结构的数组（或链表）即可表示这个表

当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，从中找到一个能满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配"。

优点：

• 实现简单
• 无外部碎片

缺点：

• 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能
• 会产生内部碎片，内存利用率低。

动态分区分配

• 又称为可变分区分配。

• 这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的。

• 动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。

内部碎片：分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上。

外部碎片：是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。

可以通过紧凑（拼凑, Compaction）技术来解决外部碎片。

例：假设某计算机内存大小为64MB，系统区8MB，用户区共56 MB…

1. 系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况?

2. 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配?

3. 如何进行分区的分配与回收操作?

数据结构

两种常用的数据结构：

• 空闲分区表
• 空闲分区链

空闲分区表

• 每个空闲分区对应一个表项。
• 表项中包含分区号、分区大小、分区起始地址等信息
  

空闲分区链

• 每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。
• 起始部分处还可记录分区大小等信息
  

动态分区分配算法

把一个新作业装入内存时，须按照一定的动态分区分配算法从空闲分区表（或空闲分区链）中选出一个分区分配给该作业。

由于分配算法算法对系统性能有很大的影响，因此人们对它进行了广泛的研究。

在下一小节会有详细介绍。

分区的分配与回收

分配进程

情况1：

情况2：

回收进程

• 情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区
  
  两个相邻的空闲分区合并为一个

• 情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区
  
  两个相邻的空闲分区合并为一个
  

• 情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区
  
  三个相邻的空闲分区合并为一个
  

• 情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区
  
  新增一个表项

  注：各表项的顺序不一定按照地址递增顺序排列，具体的排列方式需要依据动态分区分配算法来确定。
  

三、内存空间的扩展

游戏GTA的大小超过60GB，按理来说这个游戏程序运行之前需要把60GB数据全部放入内存。然而，实际我的电脑内存才4GB，但为什么这个游戏，可以顺利运行呢?

• 虚拟技术（操作系统的虚拟性）

1、覆盖技术

早期的计算机内存很小，比如IBM推出的第一台PC机最大只支持1MB大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。

后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题

覆盖技术的思想：

• 将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。

  内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。

  • 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）。

  • 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存。

例：

按照自身逻辑结构，让那些不可能同时被访问的程序段共享同一个覆盖区。

• 内存空间设为所需最大空间。

必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。

缺点：

• 对用户不透明，增加了用户编程负担。

覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。

2、交换技术

• 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程?
• 什么时候应该交换?
• 应该换出哪些进程?

• 也称为对换技术

设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

• 中级调度就是为了实现交换技术。
• 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

暂时换出外存等待的进程状态为挂起态（suspend）

挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。

文件区

• 主要用于存放文件
• 主要追求存储空间的利用率
• 对文件区空间的管理采用离散分配方式；

对换区

• 对换区空间只占磁盘空间的小部分
• 被换出的进程数据就存放在对换区
• 由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度
• 通常对换区采用连续分配方式（学过文件管理章节后即可理解) 。
• 对换区的 I/O 速度比文件区的更快。

交换什么时候进行

交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。

例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。

线程的选择

• 可优先换出阻塞进程；
• 可换出优先级低的进程；
• 为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间….

注：

• PCB会常驻内存,不会被换出外存

覆盖与交换的区别

• 覆盖是在同一个程序或进程中的
• 交换是在不同进程（或作业）之间的

3、虚拟存储技术

四、地址转换

为了使编程更方便，程序员写程序时应该只需要关注指令、数据的逻辑地址。而逻辑地址到物理地址的转换（这个过程称为地址重定位）应该由操作系统负责，这样就保证了程序员写程序时不需要关注物理内存的实际情况。

三种装入方式

• 绝对装入

  编译时产生绝对地址

  • 单道程序阶段，此时还没产生操作系统

• 可重定位装入

  装入时将逻辑地址转换为物理地址

  • 用于早期的多道批处理操作系统

• 动态运行时装入

  运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位寄存器

  • 现代操作系统

五、内存保护

两种保护方法

• 上、下限寄存器
• 重定位寄存器和界地址寄存器

方法一

在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。

假设进程1的逻辑地址空间为0 ~ 179；实际物理地址空间为100 ~ 279

方法二

采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查。

重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。

界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。