操作系统的存储管理

一、存储器抽象

1.无存储器抽象

早期的大中小型计算机都没有存储器抽象。每一个程序都直接访问物理内存，这么做相当于把物理地址暴露给进程，这样会带来几个严重的问题：

1. 如果用户程序可以寻址内存的每个字节，他们就可以很容易地破坏操作系统，从而使系统慢慢停止运行
2. 使用这种模型，想要同时运行多个程序是很困难的

2.一种存储器抽象：地址空间

要保证多个应用程序同时处于内存中并且不互相影响，需要解决两个问题：保护和重定位。这就要创造一个新的内存抽象：地址空间。地址空间是一个进程可用于寻址内存的一套地址集合。每个进程都有自己的地址空间，并且这个地址空间独立于其他进程的地址空间。

二、基址寄存器和界限寄存器

那么，如何为每一个进程独立出地址空间呢？这里有一种曾经很常见的策略：基址寄存器和界限寄存器。每次一个进程访问内存，取一条指令，读或者写一个数据字，CPU硬件就会把地址发送到内存总线前，如果访问的地址超过了界限，会产生错误并中止访问。

但是，使用这种方式进行重定位的缺点是，每次访问内存都需要进行加法和比较运算。比较可以做得很快，但是加法由于进位传递时间的问题，在没有使用特殊电路的情况下会显得很慢。

现在已经有更好的机制代替此策略。

三、操作系统的空闲内存管理机制

在动态分配内存时，操作系统必须对其进行管理。一般而言，有两种方式跟踪内存使用情况： 位图和 空闲链表。

1.使用位图的存储管理

使用位图方法时，内存可能被划分成小到几个字或大到几千字的分配单元。每个分配单元对应于位图中的一位，0表示空闲，1表示占用（或者相反）。一块内存区和对应的位图如下图左半部分所示：

2.使用链表的存储管理

这种方法维护一个记录已分配内存段和空闲内存段的链表。其中链表中的一个节点或者包含一个进程，或者是两个进程间的一个空的空闲区。如上图右半部分所示，链表中的每一个节点都包含以下域：空闲区（H）或进程（P）的指示标志、起始地址、长度和指向下一节点的指针。

空间分配算法

当按照地址顺序在链表中存放进程和空闲区时，有几种分配算法可以用来为创建的进程分配内存，下面介绍：

• 首次适配算法

存储管理器沿着段链表进行搜索，知道找到一个足够大的空闲区，除非空闲区的大小和要分配的空间大小一样大，否则将空闲区分为两部分，一部分供进程使用，另一部分形成新的空闲区。首次适配算法是一种速度很快的算法，因为它尽可能少地搜索链表节点。

• 下次适配算法