操作系统（Operating System）知识点复习——第七章内存管理

五倍子的代码空间

已于 2024-04-20 11:27:04 修改

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分类专栏：操作系统知识复习文章标签：软件工程考研面试 linux windows

于 2024-04-16 12:14:35 首次发布

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本文详细探讨了内存管理的关键概念，包括内存分区（固定和动态）、BuddySystem伙伴系统、重定位过程，以及分页和分段的区别。重点介绍了如何通过逻辑地址和物理地址转换满足进程地址需求，同时讨论了内存碎片的问题。

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0.前言

1.内存管理的要求

2.内存分区(Memory Partitioning)

2.1 固定分区(Fixed Partitioning)

①大小相等的分区(Equal-size partitions)

②大小不等的分区(Unequal-size partitions)

2.2 动态分区(Dynamic Partitioning)

0.前言

本系列文章旨在记录操作系统的知识点，可用于期末复习，笔者理解尚浅，文中不正之处静待批正。加粗高亮部分为重点。

1.内存管理的要求

内存的层次结构：寄存器--1级缓存--2级缓存--主存--本地硬盘--远程二级存储

进程的地址需求：

三大需求：

重定位(relocation)
与程序员无关(程序员不知道程序在内存的哪一块执行)
每次载入位置允许不同
操作系统和MMU(内存管理单元，位于CPU)共同操作从逻辑地址到物理内存地址的转换
保护(protection)
进程不能在未授权的情况下访问其他进程的数据，不能跳转到其他进程的代码区域执行指令
正常情况下，进程不能访问操作系统的任何部分，无论是程序还是数据
运行时检测绝对地址
内存保护由处理器来满足(不是OS)
共享(sharing)
允许多个进程访问同一部分的内存

2.内存分区(Memory Partitioning)

2.1 固定分区(Fixed Partitioning)

①大小相等的分区(Equal-size partitions)

优点：不用考虑放在哪个分区，因为大小都一样

缺点：程序可能会产生覆盖(overlay)；程序如果没有占满整个分区，会产生内部碎片(internal fragmentation)

覆盖：用于解决进程大小超过物理内存大小(同一进程间不同代码块的操作)

一般来说Main和管理程序常驻

交换(swap)：针对不同进程

②大小不等的分区(Unequal-size partitions)

定义：将每个进程分配到适合它的最小分区

可能会用到放置算法，对每个分区维护一个队列

固定分区优缺点：

优点：实现简单，无外部碎片

缺点：分区的数量会限制活跃的进程数；小型工作将无法有效利用分区

2.2 动态分区(Dynamic Partitioning)

特点：

分区可变长度和数量
进程需要多少内存就分配多少
可能会产生外部碎片(external fragmentation)，所以必须压缩(compaction)和移动(shift)进程，使他们连续分布，剩余的内存放在同一个block内

三种放置算法：

Best-fit algorithm(最佳适配)：选择大小最接近的，但性能最差，可能产生小碎片
First-fit algorithm(首次适配)：找到第一个能放下的块，性能最佳(需重新排序)
Next-fit(邻近适配)：从上一次放置位置向后找第一个能放下的，性能次佳

2.3 Buddy System伙伴系统

将整个空间视为一个大小为 $2^u$ 的块，若请求分配的大小为 $2^{u-1}<S\leqslant 2^u$ ，则分配整个空间，否则将整个块分割为两个大小相等的伙伴，持续进行上述操作，直到生成 $\geqslant S$ 的最小块

2.4 重定位Relocation

定义：从载入的逻辑地址定位到物理地址(绝对地址)

三种地址：

逻辑地址(Logical Address)：是与当前数据在物理内存中分配无关的地址。与操作系统无关，由软件生成，进程中的所有内存访问都是逻辑地址
相对地址(Relative Address)：相对于某个已知点的地址
物理地址(Physical Address)：在主存中的绝对地址/实际地址

重定位的硬件支持：

基址寄存器(Base register)：记录进程的起始地址

界限寄存器(Bounds register)：记录进程的结束地址

基址+相对地址=绝对地址

重定位过程：将绝对地址与界限寄存器中的地址作比较，如果绝对地址不在界限寄存器中，则产生中断；若匹配成果，则重定位成功。

3.分页(Paging)

基础知识：

内存分区分为等大小的块叫帧(frame)，进程分为等大小的块叫页(page)
页的大小=帧的大小
逻辑地址=页号+偏移量(offset)
操作系统对每个进程维护页表，在每页中包含帧位置
将页号转换为帧号，即完成从逻辑地址到物理地址的转换(1页1k)