操作系统内存管理

内存管理

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内存基础知识

存放数据的硬件，程序执行前需要将数据放到内存里才能被CPU处理
逻辑地址-物理地址

进程运行基本原理

从代码到进程需要经过编译，链接，装入内存

链接方式

1. 静态：链接成完整模块
2. 装入时动态：运行前边装入边链接
3. 运行时动态：只有需要的模块才需要装入链接

装入方式

1. 绝对装入：编译时产生绝对地址
2. 可重定位装入：装入时将逻辑地址改成物理地址
3. 动态运行时装入：运行时将逻辑地址改成物理地址

内存管理概念

操作系统对内存管理需要实现的功能：

1. 内存空间的分配与回收

1. 连续分配：
   1. 单一连续分配：内存划分为系统区和用户区，并且只允许存放一道用户程序。实现简单，无外部碎片，有内部碎片，CPU利用率低
   2. 固定分区分配：内存的用户区划分为多个区域，大小可以相等可以不相等。（分区大小相等）缺乏灵活性，适合一台计算机控制多个对象的场合。（分区大小不相等）灵活性较高。需建立分区说明表，记录分区的地址、状态等。实现简单，无外部碎片，但又内部碎片，CPU利用率低，并且程序太大的时候不能满足需求
   3. 动态分区分配：装入内存时根据大小分配空间。需建立分区说明表，状态，分区大小，起始地址等都需要被记录。没有内部碎片，有外部碎片
   没想到这里好像还要加很多的内容，分区算法啥的写后面算了，goto动态分区分配算法
2. 非连续分配 也放到后面了

2. 提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充

1. 覆盖技术：将程序分为多个段，常用的段常驻内存，不常用的需要时再调入内存。在内存中设置固定区和覆盖区，固定区存放常驻的段。对用户不透明，增加编程负担
2. 交换技术：将某些进程暂停换出外存，把外存中某些具备运行条件的进程调入内存（PCB常驻内存）
3. 虚拟存储技术

3. 实现逻辑地址到绝对地址的转换
4. 内存保护

上下限寄存器，重定位寄存器和界地址寄存器

动态分区分配算法

1. 首次适应算法
   每次从低地址开始查找，找到第一个满足大小的空闲分区
2. 最佳适应算法
   优先选取大小最适合的区间。空间分区按照容量递增次序链接，每次从头查找，找第一个满足的分区。会导致留下越来越多很小的难以利用的内存块。
3. 最坏适应算法
   优先使用最大的空闲分区
4. 临近适应算法
   把地址按照递增的顺序排序，每次从上次查找结束的位置开始查找，找到的第一个可用分区就可。

非连续分配

分页存储管理（跟计组撞了）

基本地址变换机构

借助进程的页表将逻辑地址转化为物理地址。通常会设置页表寄存器，存放页表在内存中的起始地址和页表长度。当进程未执行时，页表开始地址和长度都存放在PCB中。
为了查询方便，一般使每个页面恰好装得下整个页表项

具有快表的地址变换机构

局部性原理

时间局部性：如果执行了某指令，该指令不久后很可能再次执行；如果访问了一个数据，该数据不久后很可能再次被访问
空间局部性：一旦程序访问了某储存单元，在不久之后其附近的储存单元也很可能被访问

快表TLB

快表/联想寄存器，是一种访问速度比内存块很多的高速缓冲寄存器，用来存放当前访问的若干页表项，以加速地址变换的过程。与此对应，内存中的页表也称慢表

两级页表

单级页表的问题：

1. 页表必须连续存放，当页表很大的时候需要占用很多连续的内存框
2. 没必要让整个页表常驻内存

原理和地址结构

将地址划分成三个部分，分别对应一级页号，二级页号，页内偏移量。用一个总表去记录二级页号的位置，搜索时从一级找到二级，再经过二级找到页内偏移量，这样二级页号就不需要连续存放。

一些细节

1. 各级页表的大小不能超过一个页面
2. 不止二级页表，可以三级四级一直套娃下去
3. n级页表访问次数为n+1

基本分段储存管理

分段

按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名，每段从0开始编址。以段为单位进行分配内存，每个段在内存中占连续空间，各个段可以不相邻。

段表

类似页表，作用一样
一行有三个数据：段号，段长，基址
各个段表项的长度是相同的

分段和分页的对比

1. 分页对用户不可见，分段对用户可见
2. 分页的地址空间是一维的，分段的地址空间是二维的
3. 分段更容易实现信息的共享和保护
4. 分页和分段访问一个逻辑地址都需要两次访存，分段也可以引入快表机制

段页式管理方式

定义

将进程按逻辑模块划分，再将各分段进行分页，再将内存空间分为大小相同的内存块。进程运行前将各页面分别装入各内存块中。

地址结构

段号+页号+页内偏移量
把程序分段可见，把段分页不可见

段表和页表

段表是总表，包含段号、页表长度、页表存放块号，指向页表。页表包含页号和内存块号，指向内存中的数据的地址。

虚拟内存

定义和特征

基于局部性原理，在程序装入内存时，可以将程序中很快用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存。在程序执行过程中，当所访问的信息不再内存中时，由操作系统将所需信息从外存调入内存。若内存空间不够，由操作系统将内存中暂时用不到的信息换到外存
特征：

1. 多次性：不需要一次装入内存
2. 对换性：无需常驻内存
3. 虚拟性：大于实际容量

请求分页管理方式

页表机制

页表结构：页号，内存块号，状态位，访问字段，修改位，外存地址
状态位记录是否已经调入内存
访问字段记录最近被访问次数或者上一次被访问的时间，用于置换算法
修改位记录是否被修改过

缺页中断机构

当要访问的页面不存在与内存中时，发送缺页中断，操作系统挂起当前进程，然后去外存里面找缺少的页面。如果内存中有空位，直接把要的页面放入内存，如果没有的话就用淘汰算法淘汰一个页面再写入。
缺页中断属于内中断

地址变换机构

检查页面是否在内存中，如果不在就请求调页，若内存空间不够，换出页面，页面调入内存后修改相应的页表项

页面置换算法

1. 最佳置换算法OPT
   淘汰以后永远不会使用或最长时间内不在被访问的页面
   无法实现，不知道之后的运行序列
2. 先进先出置换算法FIFO
   淘汰最早进入的页面
   belady异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增。只有FIFO会造成belady异常
3. 最近最久未使用置换算法LRU
   淘汰最久未使用的页面。记录页面上一次访问时间就行
4. 时钟置换算法CLOCK
   每个页面设置一个访问位，将内存中的页面通过指针连成一个环。页面被访问时访问位设置为1。当需要淘汰页面时，按照指针顺序遍历，遇到访问位为1的就设置为0，是0就换出
5. 改进时钟置换算法
   设置访问位修改位，先找访问位修改位全为0的淘汰，该轮不会修改数据。如果寻找失败，第二轮扫描寻找01的页面，如果都没有，把访问位设置为0。然后再找00，失败再找01

页面分配策略

一些名词定义

驻留集：请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合
固定分配：驻留集不变
可变分配：驻留集可变
局部置换：只能置换本进程的物理块
全局置换：可以置换任何物理块

几种组合策略

固定分配全局置换
可变分配全局置换
可变分配局部置换

调入页面策略

1. 预调页策略
   根据局部性原理一次调入若干页面
   预测成功率不高，应用于首次调入，程序员指定调入某些部分
2. 请求调页策略
   缺的时候再调入，I/O开销大

抖动现象

进程分配的物理块不够