操作系统概念 第八章 内存管理策略

第八章 内存管理策略

8.1 背景

8.1.1 基本硬件

CPU可以直接访问的通用存储只有内存和处理器内置的寄存器。机器指令可以用内存地址作为参数，而不能用磁盘地址作为参数。因此执行指令以及指令使用的数据，应处于这些可以直接访问的存储设备上。如果数据不在内存中，那么CPU使用它们之前应先把数据移到内存。

对于寄存器内容，大多数CPU可以在一个时钟周期内解释并执行一条或多条指令，对于内存（通过内存总线的事务访问）可能需要多个时钟周期。在这种情况下，由于没有数据以便完成正在执行的指令，CPU通常需要暂停（stall）。补救措施是在CPU与内存之间，通常是在CPU芯片上，增加更快的内存（高速缓存（cache））。

我们不仅关心访问物理内存的相对速度，还要确保操作的正确，保证系统操作的正确，应保护操作系统不被用户进程访问，还用保护用户进程不会相互影响。

首先我们需要确保每个进程都有一个单独的内存空间，这可以保护进程不相互影响。通过基地址和界限地址确定一个进程可以访问的合法地址范围，并确保该进程只能访问这个合法地址。基地址寄存器（base register）含有最小合法的物理内存地址，界限地址寄存器（limit register）指定了范围的大小。内存空间保护的实现是通过CPU硬件对在用户模式下产生的地址与寄存器的地址进行比较来完成的。若欲访问的地址不是合法地址，将会陷入操作系统，防止用户程序无意或故意修改操作系统或其他用户的代码。只有操作系统可以通过特殊的特权指令加载/修改基地址寄存器和界限地址寄存器。

在内核模式下执行的操作系统可无限制地访问操作系统及用户内存。这允许操作系统：加载用户程序到用户内存，转储出现错误的程序，访问和修改系统调用的参数，以及提供许多其他服务等。

8.1.2 地址绑定

在磁盘上等待调到内存以便执行的进程形成了输入队列（input queue）。
源程序中的地址通常是用符号表示，编译器通常将这些符号地址绑定（bind）到可重定位的地址。链接程序或加载程序再将这些可重定位的地址绑定到绝对地址。每次绑定都是从一个地址空间到另一个地址空间的映射。

• 编译时（compile time）：如果编译时就知道进程在内存中的驻留地址，就可以生成绝对代码（absolute code）。如果事先知道用户进程驻留在内存地址R处，那么生成的编译代码就可以从该位置开始并向后延伸。
• 加载时（load time）：如果编译时不知道进程将驻留在何处，那么编译器就生成可重定位代码（relocatable code）。最后绑定会延迟到加载时才进行。如果开始地址发生变化，只需重新加载用户代码以合并更改的值。
• 执行时（runtime time）：如果进程在执行时可以从一个内存段迁移到另一个内存段，那么绑定应延迟到执行时才进行。采用这种方案需要特定硬件。大多数通用计算机操作系统采用这种方法。

8.1.3 逻辑地址空间与物理地址空间

CPU生成的地址通常称为逻辑地址（logical address），而内存单元看到的地址（即加载到内存地址寄存器（memory-address register）的地址）通常称为物理地址（physical address）。编译时和加载时的地址绑定方法生成相同的逻辑地址和物理地址，执行时的地址绑定方案生成不同的逻辑地址和物理地址。这种情况下我们通常称逻辑地址为虚拟地址（virtual address）。