操作系统——内存

内存概述

内存是存放进程的存储器，可以按字节编址或按字编址。内存种存放进程的地址是物理地址，但一般不会在程序种使用物理地址，而是使用逻辑地址，在把进程装入内存时，需要把逻辑地址转化成物理地址。

地址：逻辑地址（相对地址），物理地址（绝对地址）
从源代码到变成进程运行：
编译：由源代码生成目标模块，把高级语言翻译成机器语言。
链接：由目标模块生成装入模块，形成完整的逻辑地址。
装入：把装入模块装入内存， 形成物理地址。

装入方式：

• 绝对装入：编译器负责地址转换，产生绝对地址。；装入程序按装入模块中的地址存储代码和数据。只适用于单道程序。
• 静态重定位：又称可重定位装入，装入程序负责地址转换。装入模块的地址是从0开始的逻辑地址，由装入程序“重定位”，转化为物理地址，将模块存入到内存中合适的位置。用于早期的多道程序计算机。
• 动态重定位：又称动态运行时装入，运行后才进行地址转换。装入内存后仍然是逻辑地址，运行时才转化为物理地址，需要设置一个重定位寄存器，存放存放装入模块的起始地址。这样，程序就可以靠部分代码运行起来，运行时可以动态申请内存。应用于现代操作系统。

链接方式：

• 静态链接：把整个模块装入内存。
• 装入时动态链接：边装入边链接。
• 运行时动态链接：在需要时才链接模块。

内存保护：
设置上、下限寄存器，比如逻辑地址为0-99，物理地址是从10开始，那么上限就是110，下限就是10，
设置重定向寄存器和界地址寄存器，前者存放起始物理地址，后者存放最大逻辑地址。

内存空间如何扩充：
覆盖技术：内存分为一个固定区和若干个覆盖区，程序代码按功能划分成几段，常用的段放在固定区，调入后就直到运行结束才调出。不常用的放在覆盖区，使用时才调入内存，不使用就调出内存。只适用于早期操作系统，已称为历史。
交换技术：就是中级调度，一般外存会分为对换区和文件区，对换区就是用于存储挂起的进程，采用连续存储的方式，I/O速度比离散存储的文件区快。

内存连续分配方式

在内存分配的过程中，可能会出现内部碎片，即存放进程的内存区域内有没有利用的空间，或外部碎片，即内存中某些空闲分区因为太小，放不下任何程序而被浪费。
内存分配策略：

• 单一连续分配：只支持单道程序，内存被分为系统区和用户区。系统区的用户区的全部空间只用来放一个程序。不存在外部碎片，存在内部碎片。只适用于单道程序计算机
• 固定分区分配：内存中划分出几个固定的区间，进程按大小放入不同的区间，区间的大小可以相同也可以不同。如果一个程序太大，放不进任何区间，就使用覆盖技术。不存在外部碎片，存在内部碎片。如果程序太大，就得使用覆盖技术，会降低性能。分区大小相同的适用于控制多个相同对象的计算机，如控制流水线的计算机。
• 动态分区分配：内存中事先没有划好空间，在进程运行后，按动态分区分配算法放入空闲分区里。存在外部碎片，不存在内部碎片。

动态分区有两种存储分区地址的方式：

• 动态分区表：一张表格，存放空闲分区的序号、大小、起始位置
• 动态分区链：空闲分区的相关信息存储在节点里。

动态分区的分配：

• 如果是从一个空闲分区里分出进程的空间，那么就减少这个分区的大小。
• 如果占用整个空闲分区，那么就删除这个空闲分区。

动态分区的回收：

• 如果回收后，存在相邻的两个空闲分区，那么就合并两个分区和被回收的分区。
• 如果回收后，只存在相邻的一个空闲分区，那么就合并到这个分区里。
• 如果没有相邻的空闲分区，就新建一个空闲分区。

动态分区分配算法：

• 首适应算法：每次从内存的首地址开始寻找空闲分区，找到合适大小的就分配给进程，需要空闲分区以按地址大小以递增顺序存储在动态分区表/链里。优点：综合效果最好；开销小。缺点：会产生大量的碎片。
• 最佳适应算法：优先使用较小的内存分区，为体积比较大的进程腾出大分区，需要空闲分区按容量大小以递增顺序存储在动态分区表/链里。优点是有利于存放大大进程，缺点：每次回收内存后都要重新对空闲分区排序，开销大；产生许多外部碎片。
• 最坏适应算法：优先使用较大的内存分区，需要空闲分区按容量大小以递减顺序存储在动态分区表/链里。优点：不会产生太多外部随拍。缺点：容易造成大进程所需空间不足。
• 邻近适应算法：从上次查找结束的位置开始查找，找到合适大小的就分配给进程，需要空闲分区以按地址大小以递增顺序存储在动态分区表/链里，可排列成循环链表。优点：不用每次从低地址开始查找；开销小。缺点：高地址的大空间可能会被使用，从而无法存放大进程。

内存离散分配方式

为了避免产生太多的碎片，我们可以采用离散的内存分配方式，将内存空间均分成一个个存储单元，即分页，存放进程时，把进程分开存放到这些存储单元里。这些存储单元是页框（页帧，内存块、物理块），编号叫页框号（页帧号，内存块号、物理块号），进程存放在存储单元的代码被称为页面，页面和页框是一一对应的关系，为了方便计算，页面大小通常是2的整数幂。

从逻辑地址转换为物理地址：

• 计算逻辑地址对应的页号，页号=逻辑地址/页面大小
• 找到页号所在的物理地址
• 计算页内偏移量，偏移量=逻辑地址 % 页面大小
  物理地址 = 页号+业内偏移量

页表存放页面在内存里的物理地址，每一个进程对应一张进程表，页表的每一个页表项对应一个页面，包括页号+块号。页表项的长度相同，在内存里以连续方式存放，因此知道了页表存放起始地址和页表项的长度，就知道页号，因此页号是隐含的。

有些页面需要多次访问，那么就可以把页号和块号存放在快表里，原来的页表称为慢表。如果访问快表找到了信息，称为命中，如果没有就访问慢表。访问快表的速度通常要快于慢表，而且命中率在90%以上。

单级页表存在的问题：

• 单个页表可能很大，需要占用很大的连续空间。
• 有些页面不经常访问，可以不用存在内存里。

两级页表：

• 顶级页表，即页目录表，负责存储二级页表的地址，放在PCB里。
• 下一级的页表可以有多个，不常用的存在外存里。
  如果没有在内存里发现二级页表，就进行缺页中断，从外存里调入内存。

两级页表的地址转换：
逻辑地址分为三个部分：一级页号，二级页号，页内偏移量。
先在页目录表里找到二级表的地址，再在二级表里找到物理地址。

多级页表：

• 逻辑地址的位数减去页面大小的w位数，剩下就是页号的位数。
• 用页面大小除页表项长度，得到的就是一个页表最多能存多少个页面。
• 再用页号的好位数整除，就可以判断需要多少级的页表。
  确定逻辑地址的结构。
  举例：
  某计算机按字节寻址，支持40位的逻辑地址，页面大小位4kb，页表项长度位4b。
  至少分三级。

从程序员的角度，我们可以把整个程序分成不同的逻辑模块，然后离散地存放在内存里，这被称位段。每个段的长度不一样，必须要给出段名。段的逻辑地址包括段号和段内逻辑地址，段表类似于页表，存储段长和段的基始地址，段号和页号一样是隐含的。段表项的长度是一样的，位数由逻辑地址中段号的位数和内存的位数确定，比如内存是4GB即32位，逻辑地址的段长的位数为16位，因此段表项的长度位16+32=48bite，即6B。

分段与分页的对比：

• 段的地址空间是二维，页的地址空间是一维的。、
• 段是信息的逻辑单位，页是信息的物理单位。
• 按逻辑分，可以对不可修改的代码标注，但按页分就不行。
• 段会产生外部碎片，页不会。

段页管理方式：先分段再分页。段号决定了程序可以分成几段，页号决定了一个段可以分成几页。逻辑地址分为段号，页号，页内偏移量。只有段号是用户可见的，其他由系统给出。

地址转换：先通过段号找到对应的页表，再通过页表找到地址。