内存管理与文件系统详解-优快云博客

39、解释内部碎片和外部碎片的区别。

外部碎片

外部碎片是指当有足够的总内存空间来满足请求，但可用空间不连续时出现的情况。在内存分配中，随着进程的加载和移除，空闲内存空间被分割成小块，存储被分割成大量小空洞，即使总内存足够，也可能因不连续而无法满足某些请求。例如，在首次适应和最佳适应内存分配策略中就会出现这种情况。

内部碎片

内部碎片是指分配给进程的内存可能比请求的内存稍大，两者之间的差异就是内部碎片，即分区内部未使用的内存。例如，在多分区分配方案中，若一个空洞为18,464字节，而进程请求18,462字节，分配后剩下2字节的空洞，跟踪该空洞的开销可能比空洞本身大。通常的解决办法是将物理内存分成固定大小的块，并按块大小分配内存。

40、考虑一个逻辑地址空间，有32页，每页1024字，映射到有16个帧的物理内存上。a. 逻辑地址需要多少位？b. 物理地址需要多少位？

a. 逻辑地址需要15位。因为页的数量是32 = 2^5，页内偏移是1024 = 2^10，所以逻辑地址位数为5 + 10 = 15位。

b. 物理地址需要14位。因为帧的数量是16 = 2^4，页内偏移是1024 = 2^10，所以物理地址位数为4 + 10 = 14位。

41、考虑一个具有32位逻辑地址和4KB页面大小的计算机系统。该系统支持高达512MB的物理内存。以下各项分别有多少个条目？a. 传统的单级页表 b. 反向页表

单级页表条目数 ：
逻辑地址32位，页面大小4KB（$2^{12}$ 字节），则页号位数为 $32 - 12 = 20$ 位，条目数为 $2^{20}$ 个。
反向页表条目数 ：
物理内存512MB（$2^{29}$ 字节），页面大小4KB（$2^{12}$ 字节），则帧数为 $2^{29} / 2^{12} = 2^{17}$ 个，条目数为 $2^{17}$ 个。

42、考虑一个页表存于内存中的分页系统。a. 如果一次内存访问需要200纳秒，那么一次分页内存访问需要多长时间？b. 如果我们添加了TLB，且所有页表引用中有75%可以在TLB中找到，那么有效内存访问时间是多少？（假设如果页表项在TLB中，查找该页表项的时间为零。）

a. 一次分页内存访问需要400纳秒。因为需要两次内存访问，一次访问页表，一次访问数据，每次200纳秒，共400纳秒。

b. 有效内存访问时间为250纳秒。计算方式为：

$$
0.75 \times 200 + 0.25 \times 400 = 250 \text{纳秒}
$$

43、考虑一个段表，段表中包含段号、基地址和长度信息，具体段表内容如下：段号基地址长度 0 219 600 1 2300 14 2 90 100 3 1327 580 4 1952 96。对于以下逻辑地址，求其对应的物理地址：a. 0,430 b. 1,10 c. 2,500 d. 3,400 e. 4,112

a. 219 + 430 = 649
b. 2300 + 10 = 2310
c. 偏移量500超出段2的长度100，产生陷阱
d. 1327 + 400 = 1727
e. 偏移量112超出段4的长度96，产生陷阱

44、对页表进行分页的目的是什么？

在具有大逻辑地址空间（如$2^{32}$到$2^{64}$）的系统中，页表本身会变得过大。例如，在32位逻辑地址空间且页大小为4KB的系统中，页表可能包含多达100万个条目，每个进程仅页表就可能需要多达4MB的物理地址空间。 分页页表 是为了避免在主存中连续分配页表，将页表分成更小的部分，从而解决页表过大带来的分配和管理问题。

45、假设一个系统有32位虚拟地址，页面大小为4KB。编写一个C程序，该程序通过命令行接收一个虚拟地址（十进制），并输出该地址对应的页号和偏移量。例如，程序运行如下：./a.out 19986，程序将输出：The address 19986 contains: page number = 4 offset = 3602。编写此程序需要使用适当的数据类型来存储32位数据，建议使用无符号数据类型。

以下是实现该功能的C程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define PAGE_SIZE 4096

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <virtual_address>\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    unsigned int virtual_address = atoi(argv[1]);
    unsigned int page_number = virtual_address / PAGE_SIZE;
    unsigned int offset = virtual_address % PAGE_SIZE;
    printf("The address %u contains: page number = %u offset = %u\n", virtual_address, page_number, offset);
    return 0;
}

该程序首先检查命令行参数是否正确，然后将输入的虚拟地址转换为无符号整数。接着，通过除以页面大小计算页号，通过取模运算计算偏移量。最后，输出页号和偏移量。