内存管理 操作系统笔记整理系列

Posted 雨宙

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了内存管理 操作系统笔记整理系列相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

内存管理

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冯诺依曼体系中的存储：
主存：只有CPU可以直接访问的大型存储介质
二级存储：主存的扩展，提供大的非易失的存储容量，比如磁盘

存储结构：
存储系统通常根据其速度、成本和波动性进行分层组织在这里插入图片描述
存储层次结构之间的移动可以是显式的，也可以是隐式的

背景

  1. 内存由一个很大的字节数组组成，每个字节都有自己的地址。
    （1）CPU根据程序计数器的值从内存中获取指令。
    （2）这些指令可能导致额外的加载和存储（存储到特定的内存地址）。
  2. 程序运行必须先加载到内存中（程序被放置在进程中）。
  3. 输入队列：磁盘上等待被放入内存运行程序的进程的集合。
  4. 每个进程都有分离的内存空间，其实现需要基地址寄存器（Base register）和界限地址寄存器（Limit register）在这里插入图片描述
  5. CPU访问一个地址，需要判断是否大于基地址，是否小于基地址+界限地址。

地址绑定

  1. 通常，地址绑定可以发生在编译阶段、加载阶段和运行阶段。
    （1）编译阶段：如果在编译时就已知道进程将在内存中的驻留地址，那么就可以生成绝对地址。（适用于单道程序环境）
    （2）加载阶段：如果在编译时并不知道进程将驻留在何处，那么编译器就应生成可重定位地址，对这种情况，最后绑定会延迟到加载时才进行，
    （3）执行阶段：如果进程在执行时可以从一个内存段移到另一个内存段，那么绑定应延迟到执行时才进行。（最优）

逻辑地址和物理地址

  1. 逻辑地址：由CPU生成，也可以称为虚拟地址。
  2. 物理地址：内存单元中的实际地址。
  3. 编译时和加载时的地址绑定方法生成相同的逻辑地址和物理地址，执行时的地址绑定方案生成不同的逻辑地址和物理地址。

内存管理单元（MMU）

  1. 是一个硬件设备，将虚拟地址转换为物理地址。
  2. 在MMU方案中，重定位寄存器（又称基地址寄存器）中的值在被发送到内存时被添加到用户进程产生的每个地址中，即用户进程所生成的地址在送交内存之前，都将加上重定位寄存器的值。在这里插入图片描述

动态加载

  1. 进程的大小受物理内存大小的限制，为了获得更好的内存空间利用率，使用动态加载。
  2. 采用动态加载时，一个程序只有在调用时才会加载，所有程序都以可重定位加载格式保存在磁盘上。
  3. 动态加载的优点是，只有一个程序被需要时，它才会被加载，当大多数代码用来处理异常情况时，这种方法很有用。
  4. 动态加载不需要操作系统提供特别支持。

动态链接

  1. 存根：是一小段代码，用来指出如何定位适当的内存驻留库程序，或者在程序不在内存时应如何加载库。
  2. 动态链接需要操作系统的支持，需要操作系统检查所需程序是否在某个进程的内存空间内。

覆盖

  1. 在内存中只保存那些在给定的时间需要的指令和数据。
    在这里插入图片描述

交换（Swapping）

  1. 可以将进程暂时从内存中交换到后备存储器，然后将其带回内存继续执行。
  2. 交换策略被用于基于优先级的调度算法，如果高优先级的进程到达并需要服务，内存管理器可以换出低优先级的进程，以加载和执行高优先级的进程。

连续分配(Contiguous Allocation)

主存被分为两部分，操作系统与中断向量保存在低内存中，用户进程保存在高内存中。

  1. 在连续内存分配中，每个进程都被包含在一个单独的连续内存中。

内存保护

  1. 如何保护操作系统免受用户进程的影响，以及保护用户进程不受其他用户进程的影响
    （1）使用重定位寄存器，包含最小物理地址的值
    （2）使用界限地址寄存器，包含逻辑地址范围
    （3）每个逻辑地址必须小于界限地址寄存器
    （4）内存管理单元MMU通过在重定位寄存器添加值来动态映射逻辑地址（逻辑地址+基地址）
  2. CPU产生逻辑地址，需先与界限地址寄存器进行比较，若小于界限地址寄存器则加上重定位寄存器中的基地址，来获得物理地址。

内存分配

  1. 可变分区分配
    （1）孔：可用的内存快，不同大小的孔分散在整个内存中
    （2）当一个进程需要被分配内存空间时，从一个足够大的孔中分配内存来容纳这个进程
    （3）操作系统维护已分配的分区信息和空闲分区信息
  2. 动态分配问题——如何从一组空闲的孔中满足一个大小为N的请求
    （1）首次适应：分配第一个足够大的孔
    （2）最佳适应：分配最小的足够大的孔
    （3）最差适应：分配最大的孔
    （4）在速度和存储利用率方面，首次适应和最佳适应优于最差适应
  3. 碎片
    （1）外部碎片：进程外部无法分配给进程的空间
    （2）内部碎片：已经分配给进程，但是进程不能使用（进程所分配的内存可能比所需的要大）
    （3）通过紧缩（compaction）来减少外部碎片：将所有空闲内存放在一个大块中。（只有重定位是动态地，并且在运行时进行的，才可以采用紧缩）

分页（Paging）

分页允许进程的物理地址空间是非连续的

  1. 将物理内存分为固定大小的块，称为帧
  2. 将逻辑内存分为固定大小的块，称为页

地址转换方案

  1. CPU产生的地址被分为页码和页偏移
  2. 页码作为页表的索引（页表包含每页所在的物理内存的基地址，可以通过页码查物理内存基地址，基地址与页偏移的组合形成了物理内存地址）
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  3. 如果逻辑地址空间为2m，且页大小为2n，则逻辑地址的高m-n位表示页码，低n位表示页偏移

碎片问题

  1. 使用分页方案，没有外部碎片，但可能有内部碎片

页大小

  1. 页大小通常在4KB到8KB之间，也有系统支持更大的页
  2. 通常，对于32位的CPU，每个页表条目是4字节长的，可以指向232个物理帧，但是这个大小也有可能改变

分页特征

分页的一个重要方面是，程序员视图的内存和实际的物理内存清楚分离

页表的实现

  1. 页表小，保存在寄存器中
  2. 页表大，被保存在主存中，此时页表基寄存器(PTBR)指向页表，页表长度寄存器(PTLR)表示页表的大小，在这种方案中，每次数据/指令访问都需要两次内存访问，一个用于页表，一个用于数据或指令
  3. TLB（转换表缓冲区）：可以加入新的硬件TLB，关联内存，TLB只包含少量的页表条目，当CPU产生一个逻辑地址后，它的页码发送到TLB，如果找到可用于访问内存，如果没找到就需访问页表，再将页码和帧码添加到TLB
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  4. 有效访问时间（注意，需要加入访问数据/指令所需的时间，即不管如何都加上一次访问内存的时间）

内存保护

  1. 附在页表中每个条目上的有效-无效位
  2. 当该位为有效时，该值表示相关的页在进程的逻辑地址空间内，在内存中
  3. 当该位为无效时，该值表示相关的页不在进程的逻辑地址空间内，可能在磁盘中

页表结构

  1. 分层页表：页表、页表的页表……
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  2. 哈希页表（虚拟页码被散列到一个页表中）
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  3. 反向页表（进程是通过虚拟地址来引用页，操作系统可以将这种引用转换成物理内存的地址）
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共享页

  1. 共享代码：进程间共享只读代码的一个副本
  2. 私有代码和数据：
    （1）每个进程都保留一份寄存器和数据的单独副本。
    （2）私有代码和数据的页面可以出现在逻辑地址空间的任何地方。
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分段（Segmentation）

  1. 进程的地址空间：按照程序自身逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名，每段从0开始编址。
  2. 内存的分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻。
  3. 分段系统的逻辑地址结构由段号（段名）和段内地址（段内偏移量）所组成。
  4. 段号的位数决定每个进程最多可以分几个段，段内地址位数决定每个段的最大长度是多少。
  5. 段表：将二维的逻辑地址映射为一维的物理地址。包括段在内存中的起始物理地址和段的长度。
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分页式分段（Segmentation with Paging）

以上是关于内存管理 操作系统笔记整理系列的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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