OS 学习记录 - 实存管理

内存管理中的核心问题

• 存储分配：主要是讨论和解决躲到作业之间共享主存的存储空间的问题（虚拟地址空间），怎么为作业分配物理空间？
• 存储器资源的组织：区、段、页式。
• 地址转换：页表、段表逻辑地址与物理地址的转换。
• 虚拟存储调度问题：页面置换算法。

分区式存储管理

单道程序的内存分配 – 静态分配

对于单任务操作系统（内存中只有两个程序：一个用户程序、一个操作系统），由于操作系统所占空间是固定的，因此用户程序永远加载到同一个地址，并且可以在预先编译加载的时候计算出用户程序的地址。所以对于单道程序的内存管理就直接简单粗暴的加载上去就行，没有什么技巧。不再赘述。

多道程序的内存分配 – 动态分配

多道程序的内存分配采用分区式分配的方法。把内存分为一些大小相等或不等的分区，每个应用程序占用一个或几个分区，操作系统占用其中一个分区。具体实现中又分为：固定式分区和可变式分区。

• 固定式分区：分区大小可以不相同，但是一定是固定的，这就意味着需要程序去适配分区，即可能会出现内碎片（一个分区内有空白空间未使用）。具体分配方式上又有单一队列分配和多队列分配。
  • 单一队列：所有程序都在同一个队列中等待分配，每次加载的时候，选择一个当前最大的分区进行加载。
  • 多队列：由于程序大小和分区大小不一定匹配，有可能形成一个小程序占用一个大分区的情况，从而造成内存里虽然有小分区闲置但无法加载大程序的情况。这时，可以采用多个队列，给每个分区一个队列，程序按照大小排在相应的队列里。
• 可变式分区：分区边界可以移动，即分区大小可变。优点是没有内碎片，但是会出现外碎片。（这些外碎片，可以通过紧凑技术移动已分配的分区的地址空间，将零碎的空闲分区合成一个大的空闲分区，不过这个移动的开销较大）

空闲空间的管理

对于内存空间中空闲空间的管理方式，主要有两种：位图法、分区链表法。

• 位图法：给每个分配单元赋予一个字位，用来记录该分配单元是否闲置。例如，字位取值为0表示单元闲置，取值为1则表示已被占用。
  • 空间成本固定、时间成本低、没有容错能力（除非设什么校验码的）
• 分区链表法：将内存空间单元以链表的形式顺序链接起来，每个结点需包含是否空闲、单元大小、单元的起始地址、下一个结点的指针等信息。
  • 空间成本取决于程序数量、时间成本高、有一定容错能力（因为是占用空间和空闲空间相间分布的，所以一定程度上可以互相验证）。

可变分区分配算法

由于一个可变分区分配之后，内部未使用的空闲分区可以再划分出来成为新的空闲分区，所以可变分区的分配方法比固定分区复杂一点。总的来说，可变分区的分配方法有两大类：基于链表的顺序搜索的分配算法、基于索引的分配算法。首先，介绍基于链表的顺序搜索的分配算法。

• 首次适应算法（First Fit）：每个空白区按其在存储空间中地址递增的顺序连在一起，在为作业分配存储区域时，从这个空白区域链的始端开始查找，选择第一个足以满足请求的空白块。
  • 优先利用内存低地址部分的空闲分区。但由于低地址部分不断被划分，留下许多难以利用的很小的空闲分区（碎片或零头），而每次查找又都是从低地址部分开始，增加了查找可用空闲分区的开销。
• 下次适应算法（Next Fit）：把存储空间中空白区构成一个循环