操作系统 -- 内存管理(三)

操作系统 – 内存管理(三)

1. 前言

操作系统是我们计算机专业需要掌握的一门课程，由于操作系统较为难以理解，因此我将操作系统知识点进行整理。

我主要将操作系统分为5个大知识点进行整理：

1. 计算机系统概述
2. 进程管理
3. 内存管理
4. 文件管理
5. IO外设管理

本篇博客就是对内存管理进行知识点解析。

2. 内存管理 – 内存管理的概念

什么是内存

内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存(Memory)也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。 内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的

内存功能

内存空间的分配与回收

地址转换：逻辑地址到物理地址的转换

内存空间的扩充：虚拟内存的应用

存储保护：防止内存地址越界

3. 内存管理 – 装入模块放入内存方式

绝对装入：在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，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。

静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址(地址变换是在装入时一次完成的)。

动态重定位：又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装
入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行
时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要-一个重定位寄存器的支持。

4. 内存管理 – 内存保护

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。

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。

5. 内存管理 – 管理内存方式

管理内存方式分为连续和离散两类

我们先来看看连续的有哪几种方式：

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；存储器利用率低。

固定分区分配

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)。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： a. 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；b. 会产生内部碎片，内存利用率低。

动态分区分配

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。

什么是内部碎片、什么是外部碎片

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。

基于动态分区分配方式，不同的算法的优缺点不一样：

算法	算法思想	分区排列	优点	缺点
首次适应	从头到尾找适合的分区	空闲分区以地址递增次序排列	综合看性能最好。算法开销小，回收分区后一般不需要对空闲分区队列重新排序
最佳适应	优先使用更小的分区，以保留更多大分区	空闲分区以容量递增次序排列	会有更多的大分区被保留下来，更能满足大进程需求	会产生很多太小的、难以利用的碎片;算法开销大，回收分区后可能需要对空闲分区队列重新排序
最坏适应	优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用的碎片	空闲分区以容量递减次序排列	可以减少难以利用的小碎片	大分区容易被用完，不利于大进程:算法开销大(原因同上)
邻近适应	由首次适应演变而来，每次从上次查找结束位置开始查找	空闲分区以地址递增次序排列(可排列成循环链表)	不用每次都从低地址的小分区开始检索。算法开销小(原因同首次适应算法)	会使高地址的大分区也被用完

再来看看离散方式：

分页存储管理方式

将内存空间分为一一个个大小相等的分区(比如:每个分区4KB) ，每个分区就是一个“页框”，或称“页帧”、‘内存块”、‘物理块” 。。每个页框有一个编号，即“页框号”(或“者“内存块号页帧号”、“物理块号”)页框号从0开始。将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的-一个个区域，”称为“页”或“页面每个页面也有一个编号，即“页号页号也是从0开始。(注:进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。因此，页框不能太大，否则可能产生过大的内部碎片)操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。

分段存储管理方式

在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段 定义了一组逻辑信息。每个段都有自己的名字，通常可用一个段号来代替段名，每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间。段的长度由相应的逻辑信息组的长度决定，因而各段长度不等。整个作业的地址空间分成多个段，是二维的。

在动态分区（可变分区）分配方式中，系统为整个进程分配一个连续的内存空间。而在分段式存储管理系统中，则是为每个分段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以离散地装入内存中不同的分区中。为使程序能正常运行，即能从物理内存中找出每个逻辑段所对应的位置，应像分页系统那样，在系统中为每个进程建立一张段映射表，简称“段表”。

每个段在表中占有一个表项，其中记录了该段在内存中的起始地址（“基址”）和段长（字节）。段表一般放在内存中。在配置了段表后，执行中的进程可通过查找段表找到每个段所对应的内存区。可见，段表是用于实现从逻辑段到物理内存区的映射。

段页式存储管理方式

分页系统能有效地提高内存的利用率，而分段系统能反映程序的逻辑结构，便于段的共享与保护，将分页与分段两种存储方式结合起来，就形成了段页式存储管理方式。

在段页式存储管理系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，然后再将每段分成若干个大小相等的页。对于主存空间也分成大小相等的页，主存的分配以页为单位。

段页式系统中，作业的地址结构包含三部分的内容：段号，页号，页内位移量

程序员按照分段系统的地址结构将地址分为段号与段内位移量，地址变换机构将段内位移量分解为页号和页内位移量。

为实现段页式存储管理，系统应为每个进程设置一个段表，包括每段的段号，该段的页表始址和页表长度。每个段有自己的页表，记录段中的每一页的页号和存放在主存中的物理块号。

8. 小结

以上都是对进程管理的描述，主要讲了内存管理的概念、装入模块放入内存方式、内存保护、管理内存方式。

下一篇我们来了解文件管理的部分内容。