内存管理

内存管理

内存基本知识

什么是内存，有何作用

• 内存：存放数据
• 程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理--缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾
• 内存地址，内存单元

进程运行的基本原理

指令的工作原理

• 操作码+若干参数

逻辑地址vs物理地址

• 程序经过编译、链接后生成的指令中指明的地址是逻辑地址（相对地址）相对于进程的起始地址而言

如何实现地址转换

• 装入的三种方式
• 绝对装入：在编译时，如果知道程序将放到内存中的那个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码
  • 装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存
  • 绝对装入只适用于单道程序环境
  • 灵活性差
• 静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。
  • 可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置
  • 装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）
  • 静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业
  • 运行期间就不能再移动
• 动态重定位：又称动态运行时装入。编译、连接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。
  • 装入内存后的地址依然是逻辑地址，这种方式需要一个重定位寄存器的支持
  • 采用动态重定位时允许程序在内存中发生移动
  • 并且可将程序分配到不连续的存储区中，在程序运行前只需装入它的部分代码即可运行，然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存
  • 便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间

从写程序到程序运行的过程

• 编辑 -》 编译 -》 链接 -》 装入

• 编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（就是把高级语言翻译为机器语言）

• 链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块

• 由装入程序将装入模块装入内存运行

• 链接的三种方式

• 静态链接：在程序运行前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件

• 装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接

• 运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享

内存管理的概念

内存空间的分配于回收

• 连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间

连续分配管理方式

• 单一连续分配

• 在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关的数据；用户区用于存放用户进程相关的数据

  • 内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间
  • 优点：实现简单；无外部碎片，可以采用覆盖技术扩充内存，不一定需要采取内存保护
  • 缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片，存储器利用率极低

• 固定分区分配：将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区只装入一道作业

• 分区大小相等

  • 缺乏灵活性
  • 适用于一台计算机控制多个相同对象的场合

• 分区大小不等

  • 增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。

• 操作系统需要建立一个数据结构--分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。

• 每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列，每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）

• 当某用户进程要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，从中找到一个能满足大小、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配”

  • 优点：实现简单，无外部碎片
  • 缺点：当用户程序太大，所有分区都不能满足，会不得不使用覆盖技术，降低性能，会产生内部碎片

• 动态分区分配

• 又称可变分区分配：不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要

  • 系统要用怎样的数据结构记录内存的使用情况
    • 空闲分区表：每个空闲分区对应一个表项。包含区号，分区大小，起始地址等
    • 空闲分区链：每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。起始部分处还可记录分区大小等信息
  • 当有很多空闲分区都能满足，如何选择那个分区进行分配
    • 按照一定动态分配算法
  • 如何进行分区的分配和回收
    • 相邻空闲分区合并

• 内部碎片：分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上

• 外部碎片：是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用

• 可以利用紧凑技术来解决外部碎片

动态分区分配算法

首次适应算法

• 算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区
• 实现原理：空闲分区以地址递增的次序排列，每次分配内存时顺序查找空闲分区链表（空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

最佳适应算法

• 算法思想：由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片。优先使用更小的空闲区，尽可能多留大片的空闲区
• 实现原理：空闲分区按照容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（空闲分区表），找到大小能够满足要求的第一个空闲分区
• 缺点：每次都选用最小的分区进行分配，会留下越来越多的外部碎片

最坏适应算法

• 又称最大适用算法
• 算法思想：每次分配时优先适用最大的连续空闲区
• 实现原理：空闲区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链表，找到按大小能满足要求的第一个空闲分区
• 缺点：最先适用大空闲区，当由大进程时，就没有内存分区可用了

邻近适应算法

• 算法思想：由首次适应算法演变而来，每次从上次查找结束的位置开始查找

• 实现原理：空闲分区地址递增次序排列

• 

非连续分配管理方式

基本分页存储管理

• 分页存储：将内存空间分为一个个大小相等的分区，每个分区就是一个页框。每个页框有一个编号

• 将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为一个“页”或“页面”。每个页面也有一个编号

• 操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的内阁页面分别放入一个页框中。进程页面与内存的页框有一一对应的关系

• • 页表：为了能知道进程的每个页面在内存中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表。
• • 页表通常存在PCB中
• • 一个进程对应一张页表
• • 进程的每个页面对应一个页表项
• • 每个页表项由“页号”和“块号”组成
• • 页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的映射关系

内存空间的扩充

覆盖技术

• 用来解决“程序大小超过物理内存总和的问题”
• 思想：将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存
• 内存分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”
• 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）
• 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存
• 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，增加了用户编程的负担

交换技术

• 思想：内存空间紧张时，系统将内存中的某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘之间动态调度）
• 暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态

换出的位置

• 具有对换功能的操作系统，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分
• 文件区用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此文件区空间管理采用离散分配方式
• 对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据存放在对换区，对换区空间管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式
• 对换区的I/O速度比文件区的更快

什么时候换出

• 经常发生缺页，内存紧张时

换出那些进程

• 可换出优先级低的进程，有的会考虑进程在内存中驻留的时间

PCB会常驻内存

• 覆盖是在同一进程或进程中的
• 交换是在不同进程（或作业）之间的

虚拟存储技术

地址转换

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
• 在CPU中设置一对上下限寄存器，存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址空间时，CPU检查是否越界
• 采用重定位寄存器（基址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器存放的是进程的最大逻辑地址。