操作系统-页式内存管理

Posted 2020-11-29

页式内存管理上

A.段式内存管理

1.指的是一段连续的内存空间
2.段式内存管理-程序的各个部分相对独立(数据段，代码段)，早期x86处理器无法通过一个寄存器访问所有内存单元，解决早期程序运行的重定位问题
段式内存管理的应用，在x86系列的处理器中，硬件对段式内存管理进行了直接支持；另外，段式内存管理也可以使用纯软件实现，内存单元地址=段首地址+段内偏移地址

B.段式内存管理在C语言中的实现

1.数组的本质:一片连续的内存
2.数组名：数组的起始内存地址
3.数组的元素的访问
4.第i个元素
Q:操作系统只使用段式内存管理是否足够?--需求
软硬件技术的发展
1.硬件技术:计算器部件独立化(硬件接口相同，可任意组装)，计算机配置差异化(各部件硬件参数不同)
2.软件技术:应用程序处理的问题越来越复杂，应用程序运行需要的资源越来越多(物理内存可能无法满足)
此时出现的问题是，当应用程序的规模越大时，会导致多数时候无法全部加载进入内存，会出现问题，需要提出方法进行解决

C.解决方案-按段加载(局部性原理)

只将当前程序运行需要的段加载进内存，当某个段不再需要使用时，立即从内存中移除。但是按段加载会带来一些其它的问题，比如段的大小不确定，可能大于实际的物理内存，段加载需要具体的长度信息，导致效率不高。
由此提出的新的解决方法-内存分页
1.页指的是固定大小的内存片(4KB)
2.每一个内存由多个页组成
3.页是进行内存管理的基本单位

D.进阶虚拟存储技术

1.实模式下所使用的是物理地址空间
2.保护模式下所使用的是偏移地址空间
3.不同应用程序所使用的内存空间的分离采用分页管理
4.程序运行需要的内存大于实际物理内存时分页加载
进阶虚拟存储技术(内存分页的意义)
虚拟内存空间(逻辑地址):程序在执行时内部使用的内存空间
物理内存空间(物理地址):物理机器所配置的实际内存空间，逻辑地址需要进行转换才能得到对应的物理地址

E.页式内存管理中的地址

地址=页号+页内偏移
逻辑地址=逻辑页号+页内偏移
物理地址=物理页号+页内偏移
地址转换时仅变更页号即可，页内偏移不变
逻辑地址到物理地址的映射

页式内存管理中的关键操作
1.页请求-访问一个逻辑地址时，对应的页不在内存中，从外存中将目标页加到内存中，之后更新页表
2.页交换-页请求时发现物理内存不足，需要将暂时不用的页移除，首先决定并选择需要移除的页；将选中页中的所有数据写入外存，更新页表，重新进行页请求

小结

1.内存分段能够解决一定问题，但无法保证程序的移植性
2.根据程序运行的局部性原理，可进一步对内存进行分页
3.页指的是固定大小的内存片(4KB)
4.页的引入使得程序的逻辑地址于内存的物理地址彻底分离
5.操作系统的内存管理是以页为基本单位完成的

页式内存管理下

通过之前的介绍出现一些需要注意的问题
1.操作系统如何管理实际的物理内存
2.页表与不同任务有怎样的关系
3.页表对任务的意义是什么
4.页表交换时如何选择需要替换的内存页
5.页表具体是如何构成的

A.操作系统如何管理实际的物理内存

页框与页面
页框:物理内存空间中的页
页面:逻辑内存空间中的页
操作系统对物理内存的管理-首先操作系统必须知道物理内存的使用情况，然后建立结构对物理内存进行管理，结构记录包括页框是否可用，被谁使用；最后为具体的应用程序分配页表

B.页表与不同任务有怎样的关系

每个任务都有专属的页表，页表是任务上下文的一部分

C.页表对任务的意义是什么

1.页表机制能够保证任务无法意外的访问或破坏其它任务的内存
2.页表是虚拟内存空间与物理内存空间的分界线
3.因为页表的存在，各个任务才具备相同且独立的内存空间
4.页表是虚拟内存通往物理内存的唯一通道

D.页交换时如何选择需要替换的内存页

在进行替换时的原则是:对不再使用的内存页进行替换
1.FIFO页交换算法-将最先进入内存的页移除
2.LRU页交换算法-将当前使用最少的页从内存移出
FIFO页交换算法原理

LRU页交换原理

LRU页交换算法原理-访问计数的更新方式
1.每个时间周期将所有页框的访问计数减1
2.当某个页面被访问时，RW将被访问计数加1
3.访问计数最小的页面是最近未被使用的页

E.页表具体是如何构成的

1.页表的本质是一个映射表
2.虚拟内存空间的每一页映射到一个页框
3.页表可以看作做一维整形数组
单级页表
1.每一个任务都有页表
2.单级页表大小固定
3.根据程序云的局部性原理-多数情况下，页表为稀疏状态，单级页表会浪费大量内存资源
二级页表
1.把页号分为两段:页目录+二级页号
2.如果下级页表的所有表项为空，那么页目录为空

二级页表示例-假设当前需要访问虚拟页为0x52，则，页目录为0x5,二级页号为0x2。所以:对应的页框号为0x31

小结

1.操作系统通过页框表对物理内存进行管理
2.每个任务都有自己专属的页表，任务通过页表使用物理内存
3.需要页置换时，通过规则选择短期内不再使用的页进行置换
4.单级页表能够快速映射对应的页框，但造成内存浪费
5.二级页表将页号分为两部分:页目录+二级页号
6.二级页表需要通过一次寻址才能映射到对应的页框