内存管理
问题思考：
1、为什么进行内存管理?2、页式管理中每个页表项大小的下限如何决定?
3、多级页面解决了什么问题,带来了什么问题？
内存管理的基本原理和要求
内存管理(Memory Management)计算机硬件尽管很大,但依然不能一次将所有用户的进程和系统所需要的程序全部装入主存(通常称 16G, 8G内存指的就是这个主存,它比硬盘速度快,便于程序的的调度),因此操作系统必须对内存空间进行合理的划分和有效的动态分配,这就是内存管理的概念
有效的内存管理在多道程序设计上非常重要,它不仅可以方便用户使用存储器,提高内存利用率,还可以通过虚拟技术来扩充存储器
内存管理的主要功能
内存空间的分配与回收: 由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦,提高编程效率.
地址转换: 在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致,因此存储地址必须提供地址变换功能,把相应的逻辑地址变换为物理地址
内存空间的扩充: 利用虚拟存储技术或自动覆盖技术,从逻辑上扩充内存
存储保护: 保证各道作业在各自的存储空间内运行,互不干扰
在进行内存管理前，需要了解进程运行的基本原理和要求
程序如何运行：编译、链接、装入
(一）地址概念和程序如何运行
在多道程序环境下，要使程序运行，必须先为之创建进程。而创建进程的第一件事，便是将程序和数据装入内存。如何将一个用户源程序变为一个可在内存中执行的程序，通常都要经过以下几个步骤：
1、首先是要编译：
编译: 由编译程序将用户的源代码编译称若干目标模块
由编译程序(Compiler)将用户源代码编译成cpu可执行的目标代码，产生了若干个目标模块(Object Module)（即若干程序段）。形成的目标代码，每个目标代码都是以0为基址顺序进行编址，原来用符号名访问的单元用具体的数据——单元号取代。这样生成的目标程序占据一定的地址空间，称为作业的逻辑地址
空间，简称逻辑空间。
在逻辑空间中每条指令的地址和指令中要访问的操作数地址统称为逻辑地址 。很简单，逻辑地址就是你源程序里使用的地址，或者源代码经过编译以后编译器将一些标号，变量转换成的地址。
2、其次是链接：
什么是链接，为什么需要链接
链接: 由链接程序(Linker)将编译后形成的一组目标模块（程序段），以及它们所需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块(Load Module)；
在实际开发中，我们一定是多文件编程，所有文件在编译后，需要合在一起，合在一起的过程就是链接的过程。
每一个源文件（就是.c文件，上图中的程序1）都有对应的零碎文件（就是.h文件），通过预编译（通过#include实现）把.c和.h文件整合成一个组合C文件，这个组合C文件的扩展名为.i。把组合C文件编译成汇编文件.s，目标文件为机器指令（放在一个.o文件当中），单个目标文件是不能工作的，因为各个目标文件是相互支撑工作的。
把各个目标文件整合的过程就叫链接过程。整合后的文件就叫可执行程序，windows后缀为.exe，Linux后缀为.out
链接过程都干了什么事
目标文件主要分为两个区域：数据区域和指令区域。 每一个指令和数据都被安排了地址。
目标文件被整合的时候，每个目标文件的数据区被整合到一起，每个目标文件的指令区被整合到一起。假如目标文件1被整合前指令的地址是00000001，目标文件n整合前指令的地址也是00000001，整合到一起后，他们的地址是要重新编排的，这个叫地址重定位。数据区域的地址相应的也要重新编排。
3、最后是装入（地址重定位）：
由装入程序(Loader)将装入模块装入物理内存，cpu就能取内存中的程序运行了。物理内存是真实存在的插在主板内存槽上的内存条的容量的大小。
物理内存内存是由若干个存储单元组成的，每个存储单元有一个编号，这种编号可唯一标识一个存储单元，称为内存地址（或物理地址）。我们可以把内存看成一个从0字节一直到内存最大容量逐字节编号的存储单元数组，即每个存储单元与内存地址的编号相对应。
装入模块虽然具有统一的地址空间，但它仍是以“0”作为参考地址，即是浮动的。要把它装入内存执行，就要确定装入内存的实际物理地址，并修改程序中与 地址有关的代码，这一过程叫做地址重定位。地址重定位主要是把逻辑地址转换成物理内存绝对地址，这个工作又称为地址映射。
(二）程序的链接
源程序经过编译后，可得到一组目标模块，再利用链接程序将这组目标模块链接，形成装入模块。根据链接时间的不同，可把链接分成如下三种：
(1) 、 静态链接。在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开。我们把这种事先进行链接的方式称为静态链接方式。
(2)、 装入时动态链接。这是指将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的链接方式。
(3)、 运行时动态链接。这是指对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该(目标)模块时，才对它进行的链接。
1．静态链接方式(Static Linking)
我们通过一个例子来说明在实现静态链接时应解决的一些问题。在图 4-4(a)中示出了经过编译后所得到的三个目标模块A、B、C，它们的长度分别为 L、M和N。在模块A中有一条语句CALL B，用于调用模块B。在模块B中有一条语句CALL C，用于调用模块C。B和C都属于外部调用符号，在将这几个目标模块装配成一个装入模块时，须解决以下两个问题：
(1) 对相对地址进行修改。在由编译程序所产生的所有目标模块中，使用的都是相对地址，其起始地址都为 0，每个模块中的地址都是相对于起始地址计算的。在链接成一个装入模块后，原模块B和 C在装入模块的起始地址不再是 0，而分别是 L和 L+M，所以此时须修改模块B和C中的相对地址，即把原B中的所有相对地址都加上 L，把原 C中的所有相对地址都加上L+M。
(2) 变换外部调用符号。将每个模块中所用的外部调用符号也都变换为相对地址，如把B 的起始地址变换为 L，把 C 的起始地址变换为 L+M，如图 4-4(b)所示。这种先进行链接所形成的一个完整的装入模块，又称为可执行文件。通常都不再拆开它，要运行时可直接将它装入内存。这种事先进行链接，以后不再拆开的链接方式，称为静态链接方式。
图 4-4 程序链接示意图
2．装入时动态链接(Load-time Dynamic Linking)
用户源程序经编译后所得的目标模块，是在装入内存时边装入边链接的，即在装入一个目标模块时，若发生一个外部模块调用事件，将引起装入程序去找出相应的外部目标模块，并将它装入内存，还要按照图4-4所示的方式来修改目标模块中的相对地址。装入时动态链接方式有以下优点：
(1) 、 便于修改和更新。对于经静态链接装配在一起的装入模块，如果要修改或更新其中的某个目标模块，则要求重新打开装入模块。这不仅是低效的，而且有时是不可能的。若采用动态链接方式，由于各目标模块是分开存放的，所以要修改或更新各目标模块是件非常容易的事。
(2)、 便于实现对目标模块的共享。在采用静态链接方式时，每个应用模块都必须含有其目标模块的拷贝，无法实现对目标模块的共享。但采用装入时动态链接方式，OS则很容易将一个目标模块链接到几个应用模块上，实现多个应用程序对该模块的共享。
3．运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking)
在许多情况下，应用程序在运行时，每次要运行的模块可能是不相同的。但由于事先无法知道本次要运行哪些模块，故只能是将所有可能要运行到的模块都全部装入内存，并在装入时全部链接在一起。
显然这是低效的，因为往往会有些目标模块根本就不运行。
比较典型的例子是作为错误处理用的目标模块，如果程序在整个运行过程中都不出现错误，则显然就不会用到该模块。
近几年流行起来的运行时动态链接方式，是对上述在装入时链接方式的一种改进。这种链接方式是将对某些模块的链接推迟到程序执行时才进行链接，亦即，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存，把它链接到调用者模块上。凡在执行过程中未被用到的目标模块，都不会被调入内存和被链接到装入模块上，这样不仅可加快程序的装入过程，而且可节省大量的内存空间。
三. 程序的装入（地址的变换）
为了阐述上的方便，我们先介绍一个无需进行链接的单个目标模块的装入过程。该目标模块也就是装入模块。在将一个装入模块装入内存时，可以有绝对装入方式、可重定位装入方式和动态运行时装入方式，下面分别简述之。
1．绝对装入方式(Absolute Loading Mode)
在编译时，如果知道程序将驻留在内存的什么位置，那么，编译程序将产生绝对地址的目标代码。即按照物理内存的位置赋予实际的物理地址。
例如，事先已知用户程序(进程)驻留在从R处开始的位置，则编译程序所产生的目标模块(即装入模块)便从R处开始向上扩展。绝对装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。装入模块被装入内存后，由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，故不须对程序和数据的地址进行修改。程序中所使用的绝对地址，既可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。
这个方式的优点：是CPU执行目标代码快。
缺点：
1）是由于内存大小限制，能装入内存并发执行的进程数大大减少
2）编译程序必须知道内存的当前空闲地址部分和其地址，并且把进程的不同程序段连续地存放起来，编译非常复杂。由于程序
因此，通常是宁可在程序中采用符号地址，然后在编译或汇编时，再将这些符号地址转换为绝对地址。
如何把虚拟内存地址空间变换到内存唯一的一维物理线性空间？涉及到两个问题：
一是虚拟空间的划分问题。
二是把虚拟空间中已经链接和划分好的内容装入内存，并将虚拟空间地址映射内存地址的问题。即地址映射。
地址映射就是建立虚拟地址与内存地址的关系。
2．静态地址重定位（可重定位装入方式 Relocation Loading Mode)
绝对装入方式只能将目标模块装入到内存中事先指定的位置。在多道程序环境下，编译程序不可能预知所编译的目标模块应放在内存的何处，因此，绝对装入方式只适用于单道程序环境。
在多道程序环境下，所得到的目标模块的起始地址通常是从 0 开始的，程序中的其它地址也都是相对于起始地址计算的。此时应采用可重定位装入方式，根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。
静态地址重定位：即在程序装入对目标代码装入内存的过程中完成，是指在程序开始运行前，程序中指令和数据的各个地址均已完成重定位，即完成虚拟地址到内存地址映射。地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不再改变。
值得注意的是， 在采用可重定位装入程序将装入模块装入内存后， 会使装入模块中的所有逻辑地址与实际装入内存的物理地址不同，图4-3示出了这一情况。
图4-3 作业装入内存时的情况
例如，在用户程序的 1000 号单元处有一条指令LOAD 1，2500，该指令的功能是将 2500 单元中的整数 365 取至寄存器 1。但若将该用户程序装入到内存的 10000～15000号单元而不进行地址变换， 则在执行11000号单元中的指令时，它将仍从 2500 号单元中把数据取至寄存器1而导致数据错误。由图4-3 可见，正确的方法应该是将取数指令中的地址 2500 修改成 12500，即把指令中的相对地址 2500 与本程序在内存中的起始地址 10000 相加，才得到正确的物理地址12500。除了数据地址应修改外，指令地址也须做同样的修改，即将指令的相对地址 1000 与起始地址 10000 相加，得到绝对地址 11000。
优点：无需硬件支持
缺点：
1）程序重定位之后就不能在内存中搬动了；
2）要求程序的存储空间是连续的，不能把程序放在若干个不连续的区域中。
3．动态地址重地位（动态运行时装入方式 Dynamic Run-time Loading)
可重定位装入方式可将装入模块装入到内存中任何允许的位置，故可用于多道程序环境；但这种方式并不允许程序运行时在内存中移动位置。因为，程序在内存中的移动，意味着它的物理位置发生了变化， 这时必须对程序和数据的地址(是绝对地址)进行修改后方能运行。然而，实际情况是，在运行过程中它在内存中的位置可能经常要改变，此时就应采用动态运行时装入的方式。
动态地址重定位：不是在程序执行之前而是在程序执行过程中进行地址变换。更确切的说，是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行，即在每次访问内存单元前才将要访问的程序或数据地址变换成内存地址。动态重定位可使装配模块不加任何修改而装入内存。为使地址转换不影响指令的执行速度，这种方式需要一个重定位寄存器的支持
优点：
1）目标模块装入内存时无需任何修改，因而装入之后再搬迁也不会影响其正确执行，这对于存储器紧缩、解决碎片问题是极其有利的；
2）一个程序由若干个相对独立的目标模块组成时，每个目标模块各装入一个存储区域，这些存储区域可以不是顺序相邻的，只要各个模块有自己对应的定位寄存器就行。
缺点：需要硬件支持。