【操作系统复习】Unit 3-1：存储管理基础

1.1 存储管理 逻辑物理地址

存储/内存管理的功能

• 内存空间分配和回收：是存储管理的主要内容。
• 地址变换：可执行文件生成中的链接技术、程序加载时的重定位技术，进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构。
• 存储/内存共享：代码和数据共享，对地址空间的访问权限（读、写、执行）。
• 存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰
• 内存空间扩充：它涉及存储器的逻辑组织和物理组织；
  • 由应用程序控制：覆盖；
  • 由OS控制：交换（整个进程空间），请求调入和预调入（部分进程空间）

存储管理的基本机制

• 地址空间/逻辑地址空间：一个进程所能够用于访问内存的地址集合。地址空间是逻辑地址的集合
• 存储空间/物理地址空间：存储空间是指主存中一系列存储信息的物理单元的集合，这些单元的编号称为物理地址或绝对地址。存储空间是物理地址的集合
• 逻辑地址：又称虚拟地址/相对地址，程序所使用的地址。进程在运行时，看到和使用的地址都是逻辑地址。用户程序和程序员只需知道逻辑地址。不同进程可以有相同逻辑地址（反正这些逻辑地址可以映射到贮存的不同位置）
• 物理地址：

存储管理的基石：

• 地址独立：程序发出的地址与物理地址无关
• 地址保护：一个程序不能访问另一个程序的地址空间

1.2 程序链接与装入

创建进程首先要将程序和数据写入内存。将用户源程序变为可在内存中执行的程序，需要进行以下几个步骤

• 编译：源代码(.c)——>若干目标模块(.o) 翻译为机器语言

  【编译后的所有目标模块都是从0开始的相对地址/逻辑地址】

• 链接：链接程序将 目标模块+所需库函数——>可装载模块（可执行文件）.exe

  • 静态链接：（在编译时完成链接）用户一个工程中所需的多个程序采用静态链接的方式链接在一起。当我们希望共享库的函数代码直接链接入程序代码中，也采用静态链接方式。

    当链接成一个装入模块时要 修改相对地址，将所有的外部调用符号也变换为相对地址

  • 装入时动态链接：在装入内存时，采用边装入边链接的方式。

    优点：便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享

  • 运行时动态链接：在运行时需要某些目标模块时，才进行链接，常用于链接共享库代码，加快程序的装入且节省内存空间，但相比静态链接较慢

  • 链接过程的本质：合并相同的“节”（.text，.data，.bss）

• 装入：由装载程序将可装载入模块装入内存

  • 绝对装入：（不重要）只适用于单道程序环境。编译时知道程序驻留在内存的某个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码，装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。
  • 可重定位装入/静态重定位：根据内存情况，将装入模块装入内存的适当位置。地址变换是在进程装入时一次完成的。
    • 在装入时对目标程序中指令和数据地址的修改过程称为重定位
    • 当一个作业装入内存时，必须给它分配要求的全部内存空间，若无足够的内存，则无法装入。作业一旦进入内存，则在运行期间就不能在内存中移动，也不能再申请内存空间
  • 动态运行是装入/动态重定位：程序在内存中的位置经常要改变。装入程序把装入模块装入内存后，并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正执行时才进行。因此，装入内存后的所有地址均为相对地址。
    • 需要重定位寄存器，在程序运行过程中进行地址转换。
    • 优点：可以将程序分配到不连续的存储区；在程序运行之前可以只装入部分代码即可投入运行，在运行期间可以动态申请分配内存；便于程序段的共享

【链接后形成完整的逻辑地址】

程序块：

• 一个程序本质上都是由bss段、data段、text段三个组成
• 编译完成后
  • bss段：存放未初始化和所有初始化为0的全局变量和静态变量∈静态内存分配
  • data段(segment)：存放已初始化的全局变量和静态变量∈静态内存分配
  • text段：代码段，用于存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读（某些架构允许可写）
• text和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载。bss不在可执行文件中，由系统初始化。
• 一个装入内存的可执行程序

  • 

  • 栈：存放、交换临时变量的内存区。实现函数调用

    • 存放局部变量，但不包括static。static意味着在数据段存放变量
    • 保护/恢复函数调用，递归调用时可以保存上一次的值
    • 往低地址方向增长

  • 堆：存放进程运行中动态分配的内存段

    • 使用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（往高地址方向增长）；当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除

扩展：
Linux下可执行文件的格式ELF

程序装载运行fork shell

1.3 内存保护

确保每个进程都有单独的内存空间。保证操作系统不受用户进程影响，用户进程不受其它用户进程影响。

内存保护可采取两种方法

• 在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放用户作业在主存中的下限和上限地址。判断越界
• 采用重定位寄存器（基地址寄存器）、界地址寄存器（限长寄存器）。前者存放起始物理地址，后者存放逻辑地址的最大值
  • 加载这俩寄存器必须使用特权指令，只有操作系统才能加载这俩存储器

【王道P168】

1.4 覆盖与交换

内存空间 扩充

• 覆盖（节约，时间上扩展）
• 交换（借用，空间上扩展）
• 虚拟存储技术

覆盖与交换技术是在多道程序环境下用来扩充内存的两种方法。解决在小内存空间运行大作业的问题

覆盖

• 把一个大的程序划分成一个固定区和一系列的覆盖，经常活跃的部分放在固定区，每个覆盖是一个相对独立的程序单位。把程序执行时并不要求同时装入主存的覆盖组成一组，称其为覆盖段（通常按调用关系分段），这个覆盖段被分配到同一个存储区域。这个存储区域称之为覆盖区，它与覆盖段一一对应。
• 缺点：程序设计时确定，不依靠操作系统判断覆盖段是什么（编程时必须划分程序模块和确定程序模块之间的覆盖关系）增加编程复杂度。从外存装入覆盖文件，以时间延长来换取空间节省。

交换

• 交换就是把暂时不用的某个(些)程序及其数据的部分或全部从主存移到辅存中去，腾出必要的存储空间；接着把指定程序或数据从辅存读到相应的主存中，并将控制转给它，让其在系统上运行
• 优点：增加并发运行的程序数目，并且给用户提供适当的响应时间；（操作系统支持交换）编写程序时不影响程序结构
• 缺点：对换入和换出的控制增加处理机开销；程序整个地址空间都进行传送，没有考虑执行过程中地址访问的统计特性

交换技术的几个问题

• 选择那个进程换出内存：等待IO的进程
• 何时发生交换
  • 只要不用（或很少再用）就换出
  • 只在内存空间不够或有不够的危险时换出
• 交换时需要做哪些工作
  • 保存前一个进程的运行现场：寄存器、堆栈等
  • 创建新进程的运行现场
• 换入回内存时位置的确定

覆盖与交换技术的区别

• 覆盖可减少一个程序运行所需的空间。交换可让整个程序暂存于外存中，让出内存空间。
• 覆盖是由程序员实现的，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。交换技术不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构
• 覆盖技术主要对同一个作业或程序进行。交换主要在作业或程序间之间进行

1.5 分区管理——多道程序内存管理

了解：单道程序内存管理

空间的分配：分区式分配

• 把内存分为一些大小相等或不等的分区（partition）每个应用程序占用一个或几个分区。操作系统占用其中一个分区。
• 适用于多道程序系统和分时系统，支持多个程序并发执行，但难以进行内存分区的共享。

方法：

• 单一连续分配——有内碎片 无外碎片

  • 分为系统区和用户区
  • 单用户、单人舞的操作系统

• 固定分区分配——有内碎片 无外碎片

  • 把内存划分为若干个固定大小的连续分区。

    • 分区大小相等：只适合于多个相同程序的并发执行（处理多个类型相同的对象）。
    • 分区大小不等：多个小分区、适量的中等分区、少量的大分区。根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区

  • 优点：易于实现，开销小

    缺点：内碎片造成浪费，分区总数固定，限制了并发执行的程序数目；程序可能太大放不下

  • 采用的数据结构：分区表——记录分区的大小、起址、状态（是否已被分配）

  • 分配方式

    • 单一队列分配：多个用户程序排在一个共同的队列里面等待分区分配
    • 多队列分配：每个分区一个队列，程序按照大小排在相应的队列里

• 动态分区分配/可变分区分配——无内碎片 有外碎片

  外部碎片才是造成内存系统性能下降的主要原因。外部碎片可以被整理后清除。

  消除外部碎片的方法：紧凑技术

闲置空间的管理

• 位图表示法（分区表）：
  • 给每个分配单元赋予一个bit，用来记录该分配单元是否闲置。一般0是闲置，1是占用
  • 空间成本固定：不依赖于内存中的程序数量。
  • 时间成本低：操作简单，直接修改其位图值即可。
  • 没有容错能力：如果一个分配单元为1，不能肯定应该为1还是因错误变成1。
• 链表表示法（分区链表）：
  • 将分配单元按照是否闲置链接起来
  • 空间成本：取决于程序的数量。
  • 时间成本：链表扫描通常速度较慢，还要进行链表项的插入、删除和修改。
  • 有一定容错能力：因为链表有被占空间和闲置空间的表项，可以相互验证

内存分配采用两张表：已分配分区表和未分配分区表

动态分区分配算法

• 首次适应算法（First Fit）

  • 空闲分区以地址递增的次序链接，每次从头开始找

  • 内存的低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次查找时都要经过这些分区，增加了开销

• 下次适应算法（Next Fit）

  • 从上次查找结束的地方开始查找

  • 特点：使存储空间的利用更加均衡，不致使小的空闲区集中在存储区的一端，但这会导致缺乏大的空闲分区

• 最佳适应算法（Best Fit）

  • 空闲分区按容量递增的次序形成空闲分区链

  • 往往使剩下的空闲区非常小，从而在存储器中留下许多难以利用的小空闲区（碎片）

• 最坏适应算法（Worst Fit）

  • 空闲分区按容量递减的次序形成空闲分区链

  • 最大的空闲分区总是因首先分配而划分，当有大作业到来时，其存储空间的申请往往会得不到满足

了解：

• 基于索引搜索的分配算法
• 伙伴系统

存储分配的三种方式

• 直接指定方式
  • 编译程序对源程序进行汇编时所用的是实际地址
  • eg：jal、jr
• 静态分配
  • 编程时，可从地址空间的零地址开始
  • 当装配程序对其进行连接装入时，才确定在主存中的地址
• 动态分配
  • 作业在存储空间中的位置，在其装入时确定，在其执行过程中可根据需要申请附加的存储空间，而且一个作业已占用的部分区域不再需要时，可以要求归还给系统。