六操作系统——内存管理的概念（空间的分配与回收空间的扩充地址转换存储保护）

Posted 2023-03-02 小小白学计算机

一、概述

二、操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，要管些什么呢？

1. 内存空间的分配与回收

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。

1. 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数据；用户区用于存放用户进程相关数据。
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（eg：早期的PC操作系统MS-DOS）。
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。
（分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，这部分就是“内部碎片”）

2. 固定分区分配

20世纪60年代出现了支持多道程序的系统，为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

1）分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合（比如：钢铁厂有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序）
2）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。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分（比如：划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区）

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）。

当某用户程序要装入内存时，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的、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：
a.当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能；
b.会产生内部碎片，内存利用率低。

3. 动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式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。因此系统分区的大小和数目是可变的。（eg：假设某计算机内存大小为64MB，系统区8MB，用户区共56MB…）
问题：
1.系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？

2.当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

3.如何进行分区的分配与回收操作？

• 情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区：两个相邻的空闲分区合并为一个
  
  
• 情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区：两个相邻的空闲分区合并为一个
  
  
• 情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区：三个相邻的空闲分区合并为一个
  
  
• 情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区：新增一个表项
  
  
  动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。
  内部碎片：分配给某进程的内存区域中，存在有些部分没有用上。
  外部碎片：是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以被利用。
  
  如上图，如果内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，因此这些“碎片”不能满足进程的需求。可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术来解决外部碎片。
  问题：

1. 回忆交换技术，什么是换入/换出？什么是中级调度（内存调度）？
   答：
   内存空间紧张时，系统将内存中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（进程在内存与磁盘间动态调度）
   中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
2. 思考动态分区分配应使用哪种装入方式？“紧凑”之后需要做什么处理？
   答：
   a. 装入方式应选择动态重定位（动态运行时装入）。动态重定位 编译、链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。因此装入内存后所有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。
   b. “紧凑”之后我们需要把各个进程的起始地址进行修改，（进程对应的起始地址信息存放在进程的PCB当中）当进程要上CPU运行之前，会把进程的起始地址信息放到重定位寄存器（基址寄存器）里，然后再将指令中的相对地址的数值（80）+ 进程的起始地址数值（100）得到其绝对地址。如下图所示：
   
   小结：
   

2. 内存空间的扩充：利用操作系统的虚拟性

早期的计算机内存很小，比如IBM推出的第一台PC机最大只支持1MB大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。
后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题。

1. 覆盖技术：
   覆盖技术的思想：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。内存中分为一个“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。
   
   
   这种覆盖技术的实现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。
   覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。
2. 交换技术
   交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中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（进程在内存与磁盘间动态调度）
   
   中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
   暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）
   挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。
   问题？
   1.应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？
   2.什么时候应该交换？
   3.应该换出哪些进程？

答：

1. 具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的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，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的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（学过文件管理章节后即可理解）。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
2. 交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
3. 可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间。
   （注意：将进程换成内存中时，并不是把这个进程相关的所有数据都换出到外存中，操作系统为了保持对这些换出到外存中的进程的管理，而且PCB中记录了换出进程在外存中的位置信息，所以PCB会常驻内存，不会被换出外存）
   

3. 地址转换:负责程序的逻辑地址与物理地址的转换

4. 内存保护:保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰

内存保护可采取两种方法：

• 方法一：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时，CPU检查是否越界。
  
  
• 方法二：采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）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。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。
  
  

三、总结