操作系统笔记 第四章 存储器管理

存储部件的层次

1、程序的装入和链接

程序进内存的一般过程：

1.编译compiler：编译程序：将用户源代码编译成若干个目标模块。
2.链接link：链接程序：将形成的一组目标模块，及它们需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
3.装入load：由装入程序将装入模块装入内存，构造PCB，形成进程，开始运行(使用物理地址)。

1）地址的概念

逻辑地址（相对地址，虚地址）
	用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码中的指令地址是相对地址。

	- 一般首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址来编址。

	- 不能用逻辑地址在内存中读取信息

物理地址（绝对地址，实地址）
	
	内存中存储单元的地址。
	
	物理地址可直接寻址被执行。
地址映射：
	将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的内存物理地址的过程。
	
	即：用户的第10字节处的指令在内存的第多少地址上。

2）程序装入中的地址处理

逻辑地址  ======   物理地址：
① 绝对装入方式(absolute loading)

逻辑地址 重定位 物理地址：
② 静态可重定位装入方式(relocatable loading mode)
③ 动态运行时（重定位）装入方式(dynamic run-time loading) 

重定位：把目标程序中的指令和数据的逻辑地址变成内存中的物理地址的地址变换过程

3）不同的程序链接方式

装入是使用内存的开始，但链接的不同会使内存的使用有差别：

根据链接时间的不同，分成三种：
	① 静态链接：装入运行前将多个目标模块及所需库函数链接成一个整体，以后不再拆开。
	② 装入时动态链接:装入内存时，边装入边链接的链接方式。
	③ 运行时动态链接：对某些目标模块的链接，在执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。

2、连续分配方式

（1）单一连续分配

		内存分为系统区和用户区两部分：
- 系统区：仅提供给OS使用，通常放在内存低址部分
- 用户区：除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。

最简单的一种存储管理方式，只能用于单用户、单任务的操作系统中。
	优点：易于管理。
	缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，很少使用的程序部分也占用内存。

（2）固定分区分配
	划分为几个分区，便只允许几道作业并发
	1）如何划分分区大小：
		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）。缺乏灵活性。
		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。

	2）需要的数据结构
		建立一记录相关信息的分区表（或分区链表），表项有:
		| 起始位置 | 大小 | 状态 |
	分区表中，表项值随着内存的分配和释放而动态改变

	3）程序分配内存的过程：
		
		也可将分区表分为两个表格：空闲分区表/占用分区表。从而减小每个表格长度。
		
		检索算法：空闲分区表可能按不同分配算法采用不同方式对表项排序(将分区按大小排队或按分区地址高低排序)。
		
		过程：检索空闲分区表；找出一个满足要求且尚未分配的分区，分配给请求程序；若未找到大小足够的分区，则拒绝为该用户程序分配内存。


（3）动态分区分配
	  分区的大小不固定：在装入程序时根据进程实际需要，动态分配内存空间，即——需要多少划分多少。
空闲分区表项：从1项到n项：
	内存会从初始的一个大分区不断被划分、回收从而形成内存中的多个分区。


优点：并发进程数没有固定数的限制，不产生内碎片。
缺点：有外碎片（分区间无法利用的空间）

	1）数据结构
		① 空闲分区表：
			记录每个空闲分区的情况。
			每个空闲分区对应一个表目，包括分区序号、分区始址及分区的大小等数据项。
		② 空闲分区链：
			每个分区的起始部分，设置用于控制分区分配的信息，及用于链接各分区的前向指针；
			分区尾部则设置一后向指针，在分区末尾重复设置状态位和分区大小表目方便检索。

	2）分区分配算法
		动态分区方式，分区多、大小差异各不相同，此时把一个新作业装入内存，更需选择一个合适的分配算法，从空闲分区表/链中选出一合适分区
			①首次适应算法FF
			②循环首次适应算法
			③最佳适应算法
			④最差适应算法
			⑤快速适应算法
	3）分区分配操作

		分配内存
			找到满足需要的合适分区，划出进程需要的空间
				if s<=size，将整个分区分配给请求者
				if s> size，按请求的大小划出一块内存空间分配出去，余下部分留在空闲链中，将分配区首址返回给调用者。
		
		回收内存
			进程运行完毕释放内存时，系统根据回收区首址a，在空闲分区链(表)中找到相应插入点，根据情况修改空闲分区信息，可能会进行空闲分区的合并：


（4）动态重定位分区分配

（5）内存空间管理之对换

连续分配方式：一个进程连续的装进内存一个大小合适的区。
→ “碎片” → “紧凑” → 增大开销
如果允许一个进程直接分散装入多个不相邻分区中，则无需“紧凑”
产生存储管理的离散分配方式。

3. 基本分页存储管理方式

离散分配内存：
作业规定大小划分成小份；内存也按同样大小划分成小份
作业的任一小份可分散放入内存任意未使用的小份

分页方式下，内存的使用率高，浪费少。但不是绝对没有碎片（进程的最后一页不总是能占满一个物理块）

1）页面的概念

① 物理划分块的大小 = 逻辑划分的页的大小
② 页面大小要适中。

2）页表的概念

为了找到被离散分配到内存中的作业，记录每个作业各页映射到哪个物理块，形成的页面映射表，简称页表。

3）地址的处理

作业相对地址在分页下不同位置的数有一定的意义结构：

		页号+页内地址（即页内偏移）

关键的计算是：根据系统页面大小找到不同意义二进制位的分界线。

从地址中分析出页号后，地址映射只需要把页号改为对应物理块号，偏移不变，即可找到内存中实际位置。

4）地址变换机构

	设访问一次内存时间为t，则基本分页机制下EAT=2t

5）快表

快表放什么？：
	正在执行进程的页表的数据项。
设一次查找访问快表时间为t' ，则
	EAT= a*t' + (1-a)(t'+t) + t
	     = 2t +t' -t*a

6）多级页表

①两级页表
	将页表分页，并离散地将页表的各个页面分别存放在不同的物理块中
	为离散分配的页表再建立一张页表，称为“外层页表”，其每个表项记录了页表页面所在的物理块号。

	②多级页表
	③反置页表
		反置页表（Inverted Page Tale）：站在物理块的角度，记录占用它的已调入内存的进程标识和页号。系统中只需一张该表即可。一个64MB内存，若页面大小4KB（64M/4K=2^16=16K个物理块），反置页表占用64KB（16K*4B）
		进程外部页表（External Page Table）：每个进程一张，记录进程不在内存中的那些页面所在的外存物理位置。
		如何提高检索反置页表速度：内存容量大时，反置页表的页表项还是会很大，利用进程标识符和页号去检索一张大的线性表很费时，可利用hash算法提高检索速度。

4.基本分段存储管理方式

• 从提高内存利用率角度；

    固定分区 → 动态分区 → 分页
  

• 从满足并方便用户（程序员）和使用上的要求角度：
  分段存储管理：作业分成若干段，各段可离散放入内存，段内仍连续存放。

    方便编程：如汇编中通过段：偏移确定数据位置
    信息共享：同地位的数据放在一块方便进行共享设置
    信息保护
    动态增长：动态增长的数据段事先固定内存不方便
    动态链接：往往也是以逻辑的段为单位更方便
  

1）分段系统的基本原理

 程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，每个段定义一组逻辑信息。如代码段（主程序段main，子程序段X）、数据段D、栈段S等。

段的特点
	每段有自己的名字（一般用段号做名），都从0编址，可分别编写和编译。装入内存时，每段赋予各段一个段号。
	每段占据一块连续的内存。（即有离散的分段，又有连续的内存使用）
	各段大小不等。

分段下的相对地址：
地址结构：段号 + 段内地址
段表：记录每段实际存放的物理地址

2）段表与地址变换机构

3）分页和分段的主要区别 ★ ★ ★

1.需求：分页是出于系统管理的需要，是一种信息的物理划分单位，分段是出于用户应用的需要，是一种逻辑单位，通常包含一组意义相对完整的信息。
	
	一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。

2.大小：页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。分段没有内碎片，但连续存放段产生外碎片，可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。

3.逻辑地址：
	分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；
	分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。

4.其他：通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。分段模式下，还可针对不同类型采取不同的保护；按段为单位来进行共享

4）信息共享

分段系统的突出优点：
	易于实现共享
	易于实现保护

5）段页式存储管理方式

① 基本原理
	将用户程序分成若干段，并为每个段赋予一个段名。
	把每个段分成若干页
	地址结构包括段号、段内页号和页内地址三部分

②地址变换过程