-存储器管理

Posted 2022-02-02 吹灭读书灯 一身都是月

第四章-存储器管理

4.1 存储器的层次结构

对于通用计算机而言，存储层次至少分为三级：最高层为CPU寄存器，中间为主存，最低层是辅存，速度逐级变慢，容量逐级增大。

4.2 程序的装入和链接

4.2.1 程序的装入

• 装入：由装入程序将装入模块装入内存运行。
• 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。
• 重定位（修改程序中的相对地址）
  1. 编译时重定位的程序只能放在内存固定位置
  2. 载入时重定位（静态重定位装入）的程序一旦载入内存就不能动了
  3. 重定位最合适的时机：运行时重定位（动态重定位装入）

1. 绝对装入方式

   逻辑地址 = 实际内存中的地址（适用于单道程序环境）

2. 可重定位装入方式

   数据地址和指令地址都需要修改

   静态重定位：地址变换在装入时一次完成

3. 动态运行时装入方式

   把地址转换推迟到程序真正要执行时进行，装入后的地址仍是相对地址

4.2.2 程序的链接

1. 静态的链接方式
2. 装入时动态链接
3. 运行时动态链接（在执行过程中把需要调入的模块才装入内存可以增快速度，节省大量内存）

4.3 连续分配存储管理方式

内存分配的过程中会产生一些内存碎片，即空闲内存不能被利用，先了解一下内存碎片的概念：

• 外部碎片： 在分配单元间的未使用内存。
• 内部碎片： 在分配单元中的未使用内存，取决于分配单元大小是否要取整。

地址空间以及地址的生成：

• 物理地址空间：硬件支持的地址空间（主存和磁盘）。
• 逻辑地址空间：一个运行的程序所拥有的内存范围，在CPU运行的进程看到的地址。

逻辑地址与物理地址的转换：

1. ALU需要某个逻辑地址的内存的内容。
2. 内存管理单元（MMU）寻找在逻辑地址和物理地址之间的映射；如果没有就从内存中找。
3. 控制器从总线发送在物理的内存内容的请求。
4. 内存发送物理地址内存给CPU 。

第二步映射的建立和查找由OS完成。

4.3.1 单一连续分配方式

把内存分为系统区和用户区两部分，系统区仅提供给OS使用，通常放在内存低址部分，用户区是指除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。（用户区只运行一道程序）

用于单用户、单任务的操作系统中。

4.3.2 固定分区分配

将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，在每个分区中只装入一道作业，便可以有多道作业并发执行。

当有一空闲分区时，便可以再从外存的后备作业队列中，选择一个适当大小的作业装入该分区，当该作业结束时，可再从后备作业队列中找出另一作业调入该分区。

实现：

为便于内存分配，通常将分区按大小进行排队，并为之建立一张分区使用表，其中包括每个分区的起始地址、大小及状态(是否已分配)。

当有一用户程序要装入时，由内存分配程序检索该表，从中找出一个能满足要求的、尚未分配的分区，将之分配给该程序，然后将该表项中的状态置为“已分配”；若未找到大小足够的分区，则拒绝为该用户程序分配内存。

4.3.3 动态分区分配

1、概念

又称为可变分区分配，根据进程的实际需要，动态的位置分配内存空间。当程序被加载执行时，分配一个进程指定大小可变的分区(块、内存块)分区的地址是连续的。

2、数据结构

描述空闲分区和已分配分区的情况，常用空闲分区表和空闲分区链两种形式。

3、最先匹配(First Fit Allocation)策略

思路：
分配n个字节，使用第一个可用的空间比n大的空闲块。

实现：
将空闲分区列表按照地址顺序排序，分配过程时，搜索一个合适的分区，放入第一个合适的分区，释放分区时，检查是否可与临近的空闲分区合并。

特点：

• 优点：简单，在高地址空间有大块的空闲分区
• 缺点：外部碎片多，分配大块时较慢

4、最佳匹配(Best Fit Allocation)策略

思路：
分配n字节分区时， 查找并使用不小于n的最小空闲分区。

实现：
空闲分区列表按照大小排序，分配时，查找一个合适的分区，释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）。

特点：

• 优点：大部分分配的尺寸较小时，效果很好
• 缺点：外部碎片，释放分区较慢，容易产生很多无用的小碎片

5、最差匹配(Worst Fit Allocation)策略

思路：
分配n字节，使用尺寸不小于n的最大空闲分区
实现：
空闲分区列表按由大到小排序，分配时，选最大的分区，释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并，并调整空闲分区列表顺序

特点：

• 优点：中等大小的分配较多时，效果最好，避免出现太多的小碎片
• 缺点：释放分区较慢，外部碎片，容易破坏大的空闲分区，因此后续难以分配大的分区

6、碎片整理

紧凑(compaction)：通过移动分配给进程的内存分区，以合并外部碎片，要求所有的应用程序可动态重定位。

分区对换(Swapping in/out)： 通过抢占并回收处于等待状态进程的分区，以增大可用内存空间（挂起）。

4.3.4 基于顺序搜索的动态分区算法

分区分配内存管理的主要保护措施是界地址保护

4.3.5 基于索引搜索的动态分区算法

1. 快速适应算法

   将空闲分区根据进程常用容量大小进行分类，单独设立一个空闲分区链表。

   在内存中设立一张管理索引表

2. 伙伴系统

   所有的空闲页面分为10个快链表

3. 哈希算法

   构建一个以空闲分区大小为关键字的哈希表

   每一个表象记录了一个对应的空闲分区链表表头指针

4.3.6 可重定位分区分配

4.4 对换

4.5 分页存储管理方式

分区分配的不足：会产生很多碎片，要求一段较大并且连续的空间

解决：把作业连续离散分配到内存

4.5.1 页面与页表

1、页面和物理块

①页面：将一个进程的逻辑地址空间分为若干个固定大小相等的片，称为“页”

②(物理)块：也将内存空间分成若干个大小相等的片

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页面大小：页面过小，虽然可以减少内存碎片，提高内存利用率，但是会导致单个进程占用较多页面，导致进程页表过长，占用内存，降低页面换进换出的效率；页面过大虽然提高了换进换出的效率，但是碎片大，一遍页面大小是2的幂，通常为1KB – 8KB。

2、地址结构

• 逻辑地址的表示：页号P+偏移量W，即页内地址。

  如图所示，0-11位为页内地址，说明每页大小为4KB，12-31位为页号，说明最多允许有1M页。

3、页表

4.5.2 地址变换机构

1. 将逻辑地址的页号转换为内存中的物理块号，需要借助页表完成
2. 页内地址和物理块内地址不需转换

物理地址 = 块号 * 页面大小 + 页内地址

1、基本的地址变换机构

如图所示，页表寄存器存放页表始地址和页表长度。指令给出逻辑地址后，先判断页号是否大于等于页表长度，如果是，则说明越界了，直接中断。否则，与页表始地址相加得到页号，然后在页表中找到对应的物理块号，根据页内地址直接找到需要的数据。

TODO：例题见PPT

2、具有快表的地址变换机构

页表存放在内存中，使得CPU每次读取数据都要进行两次访问，为了提高速度，利用局部性原理，在寄存器中设置一张块表（TLB），先在快表中找，若未命中则去页表中查找，原理类似Cache。

4.5.4 两级和多级页表

现代计算机的逻辑地址空间非常大，这样的环境下使得页表必须非常大，每个进程的页表就要占用大量的空间，且还是连续的空间，不太现实。

针对难以找到大的连续的内存空间存放页表的问题，可以将页表进行分页，形成二级页表，使得每个页面的大小与内存物理块大小相同，将其编号，然后离散地将各个页面存放在不同的物理块中，同时也要为离散后的页表再建立一张页表称为外层页表，记录页表页面的物理块号。

同样外表也需要一个外层页表寄存器用于存放外表的始址，逻辑地址结构为：外层页号+外层页内地址+页内地址

4.6 分段存储管理方式

4.6.1 分段

进程的段地址空间被分成若干段，每个段定于了一组逻辑信息，如：主代码段、子模块代码段、公用库代码段、堆栈段(stack)、堆数据(heap)、初始化数据段、符号表等。段表示访问方式和存储数据等属性相同的一段地址空间。对应一个连续的内存“块”，若干个段组成进程逻辑地址空间。

将每个段进行编号，称为段号，每个段从0开始编址，采用一段连续的地址空间，每段长度可以不相等，由逻辑信息组的长度决定。其逻辑地址由段号+段内地址组成。

4.6.2 段表

进程中的各个段可以离散地放入内存，为了找到逻辑地址对应的内存中的物理地址，需要一张映射表，称为段表，每个段占一个表项，记录在内存中的起始位置（基址）和段的长度。段表放在寄存器中可以提高地址转换速度，但一般放于内存中。

4.6.3 地址变换机构

分段比分页更容易实现信息共享

• 分页存储管理能够提高内存的利用率。
• 分段存储管理能很好地满足用户需要。

4.6.4 段页式存储管理方式

1、基本原理

先将用户程序分成若干段，再把段分成若干页

2、地址变换过程