操作系统_内存管理

Posted 2022-01-06 ~千里之行，始于足下~

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

内存管理

存储体系

CPU缓存（Cache Memory）：是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速度却比内存要快得多。缓存的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾.
内存: 由于cpu与外设之间速度不匹配,用内存来缓冲.cpu不直接与外设产生联系,外设会通过中断等技术与cpu通信.cpu会将计算的数据予写入到内存,通过内存来写到磁盘或显示器上;而键盘输入的数据或磁盘上的数据会读到内存上,cpu直接到内存取数据.

管理的目的和任务

内存空间分为用户区和系统区,为了充分利用内存,引入多道程序,以及后期的进程通信,内存共享问题

内存:当前正在运行程序和代码的数据(PC所指的)
- 系统区:存放操作系统的常驻内存
- 用户区:装入并存放用户的代码和数据

内存的分配的方式:

静态分配:程序运行前一次性转入内存,运行过程中不能申请增加内存
动态分配:根据需要增加内存

内存共享

多道程序动态地共享内存,可以节省内存空间,提高内存利用率;实现进程通信

存储保护

内存中的各个进程互不影响

防止地址越界:每个进程都有相对独立的进程空间,防止侵犯其他进程空间
2.防止操作越权:每个进程都有自己的访问权限

扩充内存容量

内外村结合起来,借助虚拟存储技术或其他交换技术,达到在逻辑上扩充内存够的效果

地址映射

分为静态地址映射和动态地址映射,通过基址寄存器(重定位)实现逻辑地址到物理地址的映射

分区存储管理方案

系统把内存用户区划分为若干分区，分区大小可以相等，也可以不等。一个进程占据一个分区

特点：
- 支持多个程序并发执行
- 难以进行内存分区的共享。
问题：可能存在内碎片和外碎片。
- 内碎片：占用分区之内未被利用的空间，如在固定分区的系统中，小作业占用大分区时。
- 外碎片：占用分区之间难以利用的空闲分区（通常是小空闲分区）。
固定分区
可变分区

分区算法:

最先匹配法(first-fit)：按分区的先后次序，从头查找，找到符合要求的第一个分区，则结束查找。它要求可用表或自由链按起始地址递增的次序排列。
- 该算法的分配和释放的时间性能较好，较大的空闲分区可以被保留在内存高端。
- 但随着低端分区不断划分而产生较多小分区，每次分配时查找时间开销会增大。
最佳匹配法(best-fit)：它要求找到一个长度大于等于所要求内存长度，且其大小与要求相差最小的空闲分区进行分配。它要求可用表或自由链按分区大小递增的次序排列
- 从个别来看，外碎片较小，但从整体来看，会形成较多外碎片。较大的空闲分区可以被保留。
最坏匹配法(worst-fit)：它要求找到一个长度大于等于所要求内存长度，且最大的分区进行分配。它要求可用表或自由链按分区大小递减的次序排列。
- 基本不留下小空闲分区，但较大的空闲分区不被保留。

页式存储管理方案

概念:程序的连续存放造成了内存碎片问题。虽然可以利用紧缩法来解决问题，但要额外花费CPU时间。页式存储管理允许程序的存储空间是不连续的，既减少了内存碎片，提高了内存利用率，又增加存储管理的灵活性.
存储管理MMU(memory management Unit)芯片被用来从逻辑地址映射到物理地址.

页面尺寸的取值规律:
通常是：几KB到几十KB，必须是2的整数次方，页的大小是由机器硬件定义好的，OS可以将两页捆绑在一起分配使用。

太小->页表长，并导致需要更多的页表空间，对于大进程而言，页表可能太大，无法放到主存，只好放在磁盘，同时可能导致二次缺页；
太大->页表短，管理开销小，交换时对外存I/O效率高，但能使缺页率增加，还有页内碎片。

[建议]发生缺页时读取时间对页大页小的开销是差不多的,所以页大为好

分页式地址变换过程:

快表:为了提高查表速度，在地址变换机构中增设一个具有并行查找能力的高速缓冲存储器（快表），将访问最频繁的少数活动页面的页号放到快表中。
引入快表的目的: 为了提高地址映射速度
原因:CPU的指令处理速度与内存指令的访问速度差异大,CPU的速度得不到充分利用
解决：在CPU中使用了高速缓存（Cache）

引入快表的地址映射:

段式存储管理方案

页式管理和段式管理的比较:

页式和段式管理都提供了内外存统一管理的虚存实现，但分页是出于系统管理的需要，分段是出于用户应用的需要：
- 一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。
- 页式虚存只交换固定大小的页，需要多次缺页中断才能把所需信息完整地调入内存，而段式虚存每次交换得到是一段有意义的信息。
  无法通过页面共享具有完整逻辑功能的子程序或数据块，而段则可以。
- 页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定，对需要不断增加或吸收新数据的段十分有利
段式便于实现动态链接：段名+入口地址，需要硬件支持。
逻辑地址表示：
- 分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；
- 分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间，反映了程序的逻辑结构。
通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。

段页式存储管理方案

覆盖技术与交换技术

覆盖技术
原理：把一个程序分成若干个功能上相对独立的程序段（代码段或数据段），它们按照时间先后占用公共的内存空间，即共享同一内存分区。
将程序的必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存；
可选部分（不常用功能）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中（覆盖文件），在需要用到时才装入到内存，覆盖前面的程序段（覆盖前后的两个程序段不存在调用关系）；

一般要求作业各模块之间有明确的调用结构，程序员要向系统指明覆盖结构，然后由操作系统完成自动覆盖

交换技术:
为什么引入？
当内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时移到外存，把外存中某些进程换进内存，占据前者所占用的区域，这种技术是进程在内存与外存之间的动态调度
原理：暂停执行内存中的进程，将整个进程的地址空间保存到外存的交换区中（换出swap out），而将外存中处于外存就绪状态的进程的地址空间读入到内存中，并将该进程送到就绪队列（换入swap in）。