操作系統學習筆記---內存管理

概念

功能

內存空間的分配和回收

地址轉換

邏輯地址（相對地址）

物理地址（絕對地址）

內存空間的擴充

內存共享

存儲保護

方式

源程序變為可執行程序步驟

鏈接方式

裝入方式

覆蓋

交換

連續分配管理方式

單一連續分配

固定分區分配

動態分區分配

非連續分配管理方式

基本分頁存儲管理方式

基本概念

地址結構

基本地址變換機構

具有快表的地址變換機構

兩級頁表

基本分段存儲管理方式

分段

段表

地址變換機構

?分段和分頁的對比

不同點

相同點

段頁式管理

邏輯地址結構

地址變換機構?

虛擬內存管理

概念

特征

虛擬內存技術的實現

（1）請求分頁存儲管理方式

頁表機制

?編輯

缺頁中斷機構

地址變換機構

（2）請求分段存儲管理方式

（3）請求段頁式存儲管理方式

頁面置換算法

（1）最佳(OPT)置換算法

（2）先進先出 (FIFO)頁面置換算法

（3）最近最久末使用(LRU)置換算法

（4）時鐘(CLOCK) 置換算法/最近未用(NRU)算法

簡單CLOCK 算法實現方法

改進型CLOCK算法

頁面分配

駐留集

內存分配策略

何時調頁

何處掉頁

抖動（顛簸）現象

工作集?

內存映射文件

特性

優點

概念

操作系統對內存的劃分和動態分配就是內存管理的概念。

功能

內存空間的分配和回收

由操作系統完成對主存的分配和回收

地址轉換

使邏輯地址轉換為真實的物理地址

邏輯地址（相對地址）

編譯后，每個目標模塊都從0號單元開始編址，這稱為該目標模塊的相對地址(或邏輯地址)。

物理地址（絕對地址）

物理地址空問是指內存中物理單元的集合，它是地址轉換的最終地址，進程在運行時執行指令和訪問數據，最后都要通過物理地址從主存中存取。

內存空間的擴充

利用虛擬存儲技術或自動覆蓋技術，從邏輯上擴充內存

內存共享

允許多個進程訪問內存的同一部分

存儲保護

保證各道作業在各自的存儲空間內運行，互不干擾

方式

設置上下限寄存器
利用重定位寄存器、界地址寄存器

源程序變為可執行程序步驟

編譯：由編譯程序將用戶源代碼編譯成若千目標模塊。
鏈接：由鏈接程序將編譯后形成的一組目標模塊及所需的庫函數鏈接在一起，形成一個完整的裝入模塊。
裝入：由裝入程序將裝入模塊裝入內存運行。

鏈接方式

靜態鏈接：裝入前鏈接成一個完整裝入模塊
裝入時動態鏈接：運行前邊裝入邊鏈接
運行時動態鏈接：運行時需要目標模塊才裝入并鏈接

裝入方式

絕對裝入：編譯時產生絕對地址（單道程序階段，無OS）
可重定位裝入：裝入時將邏輯地址轉換為物理地址（早期多道批處理階段）
動態運行時裝入/動態重定位：運行時將邏輯地址轉換為物理地址，需設置重定位奇存器（現代OS）

覆蓋

基本思想：將程序分為多個段（多個模塊）。常用的段常駐內存，不常用的段在需要時調入內存。

具體操作：把內存劃分為一個固定區和若干個覆蓋區，固定區存放用戶程序經常活躍的部分，調入后就不再調出(除非運行結束)；將即將訪問的段放在覆蓋區，在需要調用前，系統將其調入覆蓋區，替換原有的段。必須由程序員聲明覆蓋結構，操作系統完成自動覆蓋。

適用情況：同一個程序/進程內

缺點：對用戶不透明，增加了用戶編程負擔，覆蓋技術只用于早期的操作系統中。

交換

基本思想：把處于等待狀態的進程或者被CPU剝奪運行權限的進程從內存移出到外存，這一過程稱為換出;把準備好競爭CPU的進程從外存移到內存，這一過程稱為換入。

適用情況：不同進程/作業間

ps：一般將阻塞、優先級低的進程先換出到磁盤的對換區

連續分配管理方式

單一連續分配

內存被分為：系統區和用戶區。

系統區：通常位于內存的低地址部分，用于存放操作系統系統區
用戶區：用于存放用戶進程相關數據。

特點：內存中用戶區空間只能有一道用戶程序

優點：實現簡單；無外部碎片（分區外部不存在空間浪費）；可以采用覆蓋技術擴充內存；不一定需要采取內存保護(例：早期的PC 操作系統MS- DOS)。

缺點：只能用于單用戶、單任務的操作系統中；有內部碎片（分區內部不存在空間浪費）；存儲器利用率極低

固定分區分配

固定分區分配是最簡單的一種多道程序存儲管理方式，它將用戶內存空問劃分為若干個固定大小的區域，每個分區只裝入一道作業。

兩種方法：

分區大小相等：缺乏靈活性，只適合用一臺計算機控制多個相同對象的場合。
分區大小不等：增加了靈活性，可以滿足不同大小的進程需求。

為便于內存分配，通常將分區按大小排隊，建立一張分區說明表。

優點：實現簡單，無外部碎片。

缺點：當用戶程序太大時，可能所有的分區都不能滿足需求，此時不得不采用覆蓋技術來解決，降低性能；會產生內部碎片，內部利用率低

動態分區分配

在進程裝入內存時，根據進程的大小動態地建立分區，并使分區的大小正好適合進程的需要。

動態分區分配算法

首次適應 (First Fit) 算法。空閑分區以地址遞增的次序鏈接。分配內存時順序查找，找到大小能滿足要求的第一個空閑分區。
最佳適應(Best Fit) 算法。空閑分區按容量遞增的方式形成分區鏈，找到第一個能滿足要求的空閑分區。
最壞適應(Worst Fir) 算法。又稱最大適應 (Largest Fit）算法，空閑分區以容量遞減的次序鏈接，找到第一個能滿足要求的空閑分區，即挑選出最大的分區。
鄰近適應 (Next Fit) 算法。又稱循環首次適應算法，由首次適應算法演變而成。不同之處是，分配內存時從上次查找結束的位置開始繼續查找。

特點：無內部碎片，有外部碎片

非連續分配管理方式

基本分頁存儲管理方式

基本概念

頁/頁面：進程中的塊
頁框/頁幀/內存塊/物理頁面/物理塊：內存中的塊
頁框號/頁幀號/內存塊號/物理塊號/物理頁號：每個頁框有一個編號，從0開始
頁表：為了便于在內存中找到進程的每個頁面所對應的物理塊，系統為每個進程建立一張頁表。由頁表項組成的，頁表項由頁號和物理內存中的塊號組成。

ps：頁號不占空間。

地址結構

每頁大小為4KB；地址空間最多允許2的20次方頁

頁號=邏輯地址/頁面長度（取除法的整數部分）

頁內偏移量=邏輯地址 % 頁面長度（取除法的余數部分）

基本地址變換機構

地址變換機構的任務是將邏輯地址轉換為內存中的物理地址。地址變換是借助于頁表實現的。

設頁面長度為L

計算頁號P（P=A/L）、頁內偏移量比（W=A%L）
比較頁號P和頁表長度M，若P＞M，則產生越界中斷，否則繼續執行。
頁表中頁號P對應的頁表項地址=頁表始址F+頁號P*頁表項長度，取出該頁表項肉容b，即為物理塊號。頁表長度的值是指一共有多少頁，頁表項長度是指頁地址占多大的存儲空間。
計算E=b*L+W，用得到的物理地址區去訪問內存。