存储器管理

1.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)。

2.地址的概念

1)   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

2)   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。

3） 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。

3.程序装入中的地址处理

1） 绝对装入方式

编译程序生成的“目标代码”就是”装入模块” ，逻辑地址直接从某个地址R处增长，装入模块直接装入内存地址R处。

逻辑地址  =   物理地址

优点：装入过程简单。不需任何地址变换，程序中的逻辑地址与实际内存物理地址完全相同。

缺点：过于依赖硬件结构, 只适用早期针对硬件直接编程、单道环境下。

2)   静态可重定位装入

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。

地址映射在程序执行之前进行，重定位后物理地址不再改变。

可由专门设计的重定位装配程序完成（软）：装入时根据所定位的内存地址去修改每个逻辑地址，添加相应偏移量，重定位为物理地址。

优点：不需硬件支持，可以装入有限的多道程序

缺点：软件装入一次完成，一个程序通常需要占用连续的内存空间，程序装入内存后不能移动。也不易实现共享。

3） 动态运行时（重定位）装入方式

实际运行中往往会需要程序在内存中的各位置移动，即经常需要重定位到不同的物理地址上。这种运行时移动程序要求地址变换要快速，实现时一般依靠硬件地址变换机构——一个重定位寄存器。 程序装入内存时，可多次重定位到不同位置。且可以不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。

4.不同的程序链接方式

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。

装入运行前，生成可执行文件时进行的。 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。

由一个目标模块开始装入，若又涉及外部模块调用事件，装入程序再找出相应的外部目标模块，并将它装入内存，还要修改目标模块中的相对地址。

比静态链接好在哪里？

(1) 静态链接好的程序，修改部分模块后，需重新链接成可装入程序。动态方式则便于修改和更新。

(2) 便于实现共享。静态的N个程序都需要一个模块时，需要进行N次拷贝。

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。

 装入时动态链接的问题 :许多情况下，事先不知道某应用程序本次运行需要哪些模块，只能全部装入，装入时全部链接在一起，效率低。

办法：有的模块不经常使用就暂时不装入，运行时用到了再装入。（如程序总不出错，就不会用到错误处理模块。）即运行时动态链接：运行时，将对某些模块的链接推迟到执行时才链接装入。

优点：程序运行装入的内容少了，加快了装入过程，而且节省大量的内存空间。

5.连续分配方式

为一个用户程序分配一个连续的内存空间

（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

把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用进程占用一个分区。操作系统占用其中一个分区。

提高：支持多个程序并发执行，适用于多道程序系统和分时系统。最早的多道程序存储管理方式。

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） 固定分配的不足：

内碎片（一个分区内的剩余空间）造成浪费

分区总数固定，限制并发执行的程序数目

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）

具体实现:

①数据结构

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。

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

首次适应算法FF(first-fit)：

空闲分区排序：以地址递增的次序链接。

检索：分配内存时，从链首开始顺序查找直至找到一个大小能满足要求的空闲分区； 分配：从该分区中划出一块作业要求大小的内存空间分配给请求者，余下的空闲分区大小改变仍留在空闲链中。 若从头到尾检索不到满足要求的分区则分配失败

优点：优先利用内存低址部分，保留了高地址部分的大空闲区；

缺点：但低址部分不断划分，会产生较多小碎片；而且每次查找从低址部分开始，会逐渐增加查找开销。

循环首次适应算法 (next-fit)

空闲分区排序：按地址

检索：从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求的空闲分区。为实现算法，需要： 设置一个起始查寻指针 采用循环查找方式

分配：分出需要的大小

优点：空闲分区分布均匀，减少查找开销    缺点：缺乏大的空闲分区

最佳适应算法 (best-fit)

总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业，避免“大材小用”。

空闲分区排序：所有空闲分区按容量从小到大排序成空闲分区表或链。

检索：从表或链的头开始，找到的第一个满足的就分配

分配：分出需要的大小  

缺点：每次找到最合适大小的分区割下的空闲区也总是最小，会产生许多难以利用的小空闲区（外碎片）

最差适应算法/最坏匹配法(worst-fit)：

基本不留下小空闲分区，但会出现缺乏较大的空闲分区的情况。

快速适应算法

根据进程常用空间大小进行划分，相同大小的串成一个链，需管理多个各种不同大小的分区的链表。进程需要时，从最接近大小需求的链中摘一个分区。类似的：伙伴算法

能快速找到合适分区，但链表信息会很多；实际上是空间换时间。