内存管理
2018-12-07 14:25:18 0 举报AI智能生成
操作系统内存管理思维导图
作者其他创作
大纲/内容
内存的基础知识
什么是内存，有何作用
存储单元，内存地址的概念和联系
按字节编址vs按字编址
进程运行的基本原理
指令的工作原理
操作码+若干参数(可能包含地址参数)
逻辑地址(相对地址)vs物理地址(绝对地址)
从写程序到程序运行
编辑源代码文件
编译
由源代码文件生成目标模块(高级语言翻译成机器语言)
链接
由目标模块生成装入模块，链接后形成完整的逻辑地址
装入
将装入模块装入内存，装入后形成物理地址
三种链接方式
静态链接
装入前链接形成一个完整装入模块
装入时动态链接
运行前边装入边链接
运行时动态链接
运行时需要目标模块才装入并链接
三种装入方式
绝对装入
编译时产生绝对地址
可重定位装入
装入时将逻辑地址转换为物理地址
动态运行时装入
运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位寄存器
内存管理的概念
内存空间的分配与回收
连续分配管理方式
单一连续分配
只支持单道程序，内存分为系统区和用户区，用户程序放在用户区
无外部碎片，有内部碎片
固定分区分配
支持多道程序，内存用户空间分为若干个固定大小的分区，每个分区只能装一道作业
无外部碎片，有内部碎片
两种分区方式
分区大小相等
分区大小不等
动态分区分配
支持多道程序，在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区
无内部碎片，有外部碎片
外部碎片可用紧凑技术来解决
回收内存分区时，遇到四种情况
回收区之后有相邻的空闲分区
回收区之前有相邻的空闲分区
回收区前后都有相邻的空闲分区
回收区前后都没有相邻的空闲分区
动态分区分配算法
首次适应算法
最佳适应算法
最坏适应算法
邻近适应算法
非连续分配管理方式
基本分页存储管理
基本概念
基本分页存储管理的思想：把进程分页，各个页面可离散地放到各个的内存块中
重要概念
页框，页帧，内存块，物理块 VS 页，页面
页框号，页帧号，内存块号，物理块号 VS 页号，页面号
如何实现地址转换
1.计算出逻辑地址对应的页号
2.找到对应页面在内存中的存放位置
3.算出逻辑地址对应的页内偏移量
4.物理地址=页面地址+页内偏移量
页号，页内偏移量的计算
页号=逻辑地址/页面大小； 页内偏移量=逻辑地址%页面大小
或根据逻辑地址结构计算，逻辑地址=【页号P，页内偏移量W】
页表
页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的对应关系
一个进程对应一张页表，进程的每一页对应一个页表项，每个页表项由页号和块号组成
每个页表项的长度是相同的，页号是隐含的
基本地址变化机构
页表寄存器的作用
存放页表起始地址
存放页表长度
地址变换过程
1.根据逻辑地址算出页号，页内偏移量
2.页号的合法性检查(与页表长度对比)
3.若页号合法，再根据页表起始地址，页号找到对应页表项
4.根据页表项中记录的内存块号，页内偏移量得到最终的物理地址
5.访问物理内存对应的内存单元
其他小细节
页内偏移量位数与页面大小之间的关系(能用其中一个条件推出另一个条件)
页式管理中地址是一维的(只需知道逻辑地址)
实际应用中，通常使一个页框恰好能放入整数个页表项
为了方便查找到页表项，页表一般是放在连续的内存块中的
具有快表的地址变换机构
局部性原理
时间局部性
空间局部性
什么是快表TLB
联想寄存器
访问速度比内存快很多的高速缓存存储器
加速地址变换
引入快表后，地址的变换过程
+两级页表
单级页表存在的问题
所有页表项必须连续存放，页表过大时需要很大的连续空间
在一段时间内并非所有页面都用得到，因此没必要让整个页表常驻内存
两级页表
将长长的页表再分页
逻辑地址结构：(一级页号，二级页号，页内偏移量)
注意几个术语：页目录表/外层页表/顶级页表
如何实现地址转换
1.按照地址结构将逻辑地址拆分成三部分
2.从PCB中读出页目录表起始位置，根据一级页号查页目录表，找到下一级页表在内存中的存放位置
3.根据二级页号查表，找到最终想访问的内存块号
4.结合页内偏移量得到物理地址
几个细节
多级页表中，各级页表的大小不能超过一个页面。若两级页表不够，可以分更多级
多级页表的访问次数(假如没有快表机构)——N级页表访问一个逻辑地址需要N+1次访存
基本分段存储管理
分段
将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干段，每段从0开始编址
每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻
逻辑地址结构：(段号，段内地址)
段表
记录逻辑段到实际存储地址的映射关系
每个段对应一个段表项，各段表项长度相同，由段号(隐含)，段长，基址组成
地址变换
1.由逻辑地址得到段号，段内地址
2.段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界
3.由段表始址，段号找到对应段表项
4.根据段表中记录的段长，检查段内地址是否越界
5.由段表中的“基址+段内地址”得到最终的物理地址
6.访问目标单元
分段 VS 分页
分页对用户不可见，分段对用户可见
分页的地址空间是一维的，分段的地址空间是二维的
分段更容易实现信息的共享与保护
分页(单级页表)，分段访问一个逻辑地址都需要两次访存，分段存储中也可以引入快表机构
段页式存储管理
分页，分段管理方式中最大的优缺点
分页管理
优点：内存空间利用率高，不会产生外部碎片，只会有少量的页内碎片
缺点：不方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
分段管理
优点：很方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
缺点：如果段长过大，为其分配很大的连续空间碎片会很不方便，另外，段式管理会产生外部碎片
分段+分页
1.将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，在将各段分为大小相等的页面
2.将内存空间分为与页面大小相等的一个个内存块，系统以块为单位为进程分配内存
3.逻辑地址结构：(段号，页号，页内偏移量)
段表，页表
每个段对应一个段表项，各段表项长度相同，由段号(隐含)，页表长度，页表存放地址组成
每个页对应一个页表项，各页表项长度相同，由页号(隐含)，页面存放的内存块号组成
地址变换
1.由逻辑地址得到段号，页号，页内偏移量
2.段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界
3.由段表始址，段号找到对应段表项
4.根据段表中记录的页表长度，检查页号是否越界
5.由段表中的页表地址，页号得到查询页表，找到相应页表项
6.由页面存放的内存块号，页内偏移量得到最终的物理地址
7.访问目标单元
访问一个逻辑地址所需访存次数
第一次——查段表，第二次——查页表，第三次——访问目标单元
可引入快表机构，以段号和页号为关键字查询快表，即可直接找到最终的目标页面存放位置，引入快表后仅需一次访存
内存空间的扩充(实现虚拟性)
覆盖技术
一个固定区
存放最活跃的程序段
固定区中的程序段在运行过程中不会调入调出
若干覆盖区
不可能同时被访问程序段可共享一个覆盖区
覆盖区中的程序段在运行过程中会根据需要调入调出
必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖
缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担
交换技术
内存紧张时，换出某些进程以腾出内存空间，再换入某些进程
磁盘分为文件区和对换区，换出的进程放在对换区
覆盖与交换的区别
覆盖是在同一个程序或进程中
交换是在不同进程或作业之间的
虚拟存储技术
基本概念
传统存储管理方式的特征，缺点
一次性：作业数据必须一次全部调入内存
驻留性：作业数据在整个运行期间都会常驻内存
局部性原理
时间局部性：现在访问的指令，数据在不久后很可能会被再次访问
空间局部性：现在访问的内存单元周围的内存空间，很可能在不久后会被访问
高速缓存技术：使用频繁的数据放到更高速的存储器中
虚拟内存的定义和特征
程序不需全部装入即可运行，运行时根据需要动态调入数据，若内存不够，还需换出一些数据
特征
多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
对换性：无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入，换出
虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量
如何实现虚拟内存技术
访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存(请求调页功能)
内存空间不够时，将内存中暂时用不到的信息换出到外存(页面置换功能)
虚拟内存的实现
请求分页存储管理
请求分段存储管理
请求段页式存储管理
请求分页管理方式
页表机制
在基本分页的基础上增加了几个表项
状态位：表示页面是否已在内存中
访问字段：记录最近被访问过几次，或记录上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时参考
修改位：表示页面调入内存后是否被修改过，只有修改过的页面才需要在置换时写回内存
外存地址：页面在外存中存放的位置
缺页中断机构
找到页表项后检查页面是否已在内存，若没在内存，产生缺页中断
缺页中断处理中，需要将目标页面调入内存，有必要时还要换出页面
缺页中断属于内中断，属于内中断中的“故障”，即可能被系统修复的异常
一条指令在执行过程中可能产生多次缺页中断
地址变换机构(重点关注与基本分页不同的地方)
找到页表项是需要检查页面是否在内存中
若页面不在内存中，需要请求调页
若内存空间不够，还需换出页面
页面调入内存后，需要修改相应页表项
页面置换算法
最佳置换算法(OPT)
先进先出置换算法(FIFO)
最近最久未使用置换算法(LRU)
时钟置换算法(CLOCK)
改进型的时钟置换算法
页面分配策略
驻留集
页面分配，置换策略
固定分配局部置换
可变分配全局置换
可变分配局部置换
调入页面的时机
从何处调页
抖动(颠簸)现象
工作集
地址转换
操作系统负责实现逻辑地址到物理地址的转换
三种方式
绝对装入：编译器负责转换(单道程序阶段，无操纵系统)
可重定位装入：装入程序负责地址转换(早期多道批处理阶段)
动态运行时装入：运行时才进行地址转换(现代操作系统)
存储保护
保证各进程在自己的内存空间内运行，不会越界访问
两种方式
设置上下限寄存器
利用重定位寄存器，界地址寄存器进行判断
收藏
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