5 存储管理

5.1 存储管理的目的和功能

5.1.1 存储管理目的：

1） 为多道程序的并发执行提供良好的环境，时每道程序都能在不受干扰的环境中运行。
2）便于用户使用存储器，是用户从存储器的分配、保护和共享等繁琐的事务中解脱出来。
3） 提高存储器的利用率，以提高系统的吞吐量。
4）从逻辑上扩充内存空间，可是大的程序能在小的内存空间运行或允许更多的程序并发执行。

5.1.2 存储管理的主要功能

主存储器的存储空间一般分为两部分：

系统区:用于存放操作系统的程序和数据；
用户区:用于存放应用程序与用户的程序和数据。

5.1.3 存储管理主要是对用户区进行管理

1） 内存分配

a． 为每道程序分配内存空间，使他们“各得其所”
b． 提高存储器的利用率，以减少不可用的存储空间。（即“零头”）
c． 允许正在运行的程序申请附加内存空间，以适应程序或数据动态增长的需求。

为此存储分配机制应具有以下功能：

（1） 记录每个存储区（分配单位）的状态，作为内存分配的依据 （2） 能动态的分配内存：指在进程运行期间，根据系统或用户的请求，分配其所需要的内存空间，并修改相应的空闲存储区表。
（3）及时回收系统或用户进程释放的存储区。

2） 内存保护

内存保护的任务是确保每道程序都在自己的内存空间运行，互不干扰，为此系统需要每道程序 都能：
a． 不访问 os 的任何部分，包括程序区或数据区
b． 执行中的进程不会转移到其他进程的程序中去执行。
c．未经特殊安排，不能访问其他进程中的数据，若在执行中发生了上述情况，系统应能 立即抛弃这样的指令。上述检查需要硬件完成，使用软件不仅会显著增减 cpu 开销，且大大 降低了进程的运行速度。

3） 内存共享
4） 地址映射（讲述作业从源程序到装入的过程）
5） 内存扩充

内存扩充的任务是从逻辑上来扩充内存容量，是用户认为系统所拥有的内存空间比实际的空间大。为实现此任务，系统必须具有下述功能：
a． 请求调入功能
b． 置换功能 虚拟存储器——os
把主存和辅存两者融为一体，为用户提供一个超过实际主存容量的存储器。其容量由计算机的地质结构来决定。

5.2 地址重定位

5.2.1 作业的地址空间

名字空间：用户在使用汇编语言或高级语言编制作业的源程序时，一般要使用符号名来指定程序转移的目的地、子程序的入口地址以及要访问的数据等在作业中的位置。因此这个作业空间称为名字空间。

作业的逻辑地址空间（相对地址空间）：源程序经过汇编或编译后，形成目标程序，每个目标程序都是以 0 为基址顺序进行编址的，原来用符号名访问的单元用具体的数据——单元号取代。这样生成的目标程序占据一定的地址空间，称为作业的逻辑地址空间，简称逻辑空间。在逻辑空间中每条指令的地址和指令中要访问的操作数地址统称为逻辑地址。

作业的物理地址空间（绝对地址空间）：内存是由若干个存储单元组成的，所有存储单元顺序编号，每个存储单元有一个编号，这种编号可唯一标识一个存储单元，称为内存地址（或物理地址）。程序装入内存后，它们占用的主存区域是由绝对地址来确定指令和数据的位置的，通常把这些绝对地址的集合形成的作业空间称为作业的物理地址空间（绝对地址空间）。

5.2.2．地址映射（重定位）

逻辑地址和物理地址。这两者在多道程序环境下是不一致的，因此存储管理必须提供地址映射功能（重定位），用于把逻辑地址转换为物理地址。

重定位分类	定义	优点	缺点
静态重定位	有装配程序来完成。物理地址=起始地址+逻辑地址	不需要硬件支持、简单、速度快。	无法进行地址变换，无法实现虚拟存储器 1）将程序一旦装入内存后就不能再移动， 2）必须在程序执行前将有关部分全部装入 3） 必须占用连续的内存空间
动态重定位	在程序执行过程中，由硬件地址映射机构来完成。基地址寄存器BR，虚地址寄存器 VR，内存地址 MR=BR+VR	为实现虚拟存储器提供了基础，有利于存储空间的共享 1） 可以将程序分配到不连续的存储空间 2） 在程序运行之前可以只装入它的部分代码即可投入运行，然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存 3） 为用户提供一个比主存的存储空间大的多的地址空间。需要硬件	支持，且实现存储管理的软件算法比较复杂。

5.3 分区存储管理

单道系统： 单一连续存储管理。
多道系统： 最简单的方法是将内存用户区划分成若干区域，每个区域分配给一个用户作业，把用户作业次性全部装入内存，并限定它们只能在自己的区域内运行。

5.3.1 固定分区管理

1.基本思想

系统操作员或 OS将内存空间划分为若干分区，每个分区中驻留一道程序，这些分区的长度可以不同，但分区的个数和每个分区的长度、位置是固定的。

2.分区说明表：PDT

分区号	大小	内存始址	状态
1	12K	20K	已分配
2	32K	32K	已分配
3	64K	64K	已分配
4	128K	128K	未分配

3 分配策略

在调度作业时，存储器管理根据所需量在分区说明表中找出一个足够大的分区分配分区，然后用重定位装入程序。如果找不到合适得分区，则通知作业调度模块，另外选择一个作业。

分配：依次查找分区说明表中的信息，将分区大小满足作业请求容量，并且使用状态为空闲的第一个分区分配给该作业。同时将该分区的状态改为已使用。

回收：作业运行完毕后，将释放的分区收回，设分区使用状态为空闲。

4.优、缺点

优点： 能实现多个作业共享内存，保证多道运行、数据结构简单，分配回收算法容易实现等；

缺点： 内存利用不充分，小作业占用大分区，造成内碎片现象；作业的大小受到分区大小严格限制；

内碎片： 在固定分区方式中，一个分区分配给作业后，分区中未使用的空间区称为内碎片，又称内零头。

5.3.2 可变分区管理

1.基本思想（量体裁衣）

根据作业大小动态地划分分区，使分区大小正好适应作业的需要。克服了内碎片。

2.与固定分区的区别

1） 系统运行过程中，作业装入时建立
2） 个分区的大小不确定
3） 内存中分区的数目可以（一般）不定

3． 主存占有表和空闲说明表（链）

分区说明表：记录占用内存分区的情况；
空闲说明表（空闲分区链）：将内存中空闲分区单独构成一个空闲分区表和空闲分区链；

4． 分配策略：主要问题：分配、回收

1） 首次适应算法（FF）：按始地址升序排列。从链首开始分配。
分配：从空闲分区表（空闲分区链）首部开始顺序查找，直到找到第一个能满足其大小要求的空闲地址为止。
优点：算法简单，查找速度快，大作业易满足要求。

2） 最佳适应算法（BF）：按分区大小递增的顺序排列。
分配：从空闲分区表（链）首开始查找，直到找到第一个能满足其大小要求的空闲地址为止。
注意：此算法看起来最佳，其实不然。

3） 最坏适应算法（WF）按分区大小递减的顺序排列。
分配：总是把空闲链中的第一个分区，即将最大的空闲分区分配给作业；
缺点：大作业难以满足要求。

5． 分区回收
当进程运行完毕释放内存时，系统根据释放区的首址，从空闲链中找到相应的插入点，此时可能出现以下四种情况。

处理方法：

(a) 不再为回收区分配新表项，而只需修改 F1 的大小。
(b) 用回收区的首址作为新空闲区的首址，大小为两者之和。
© 将三个分区合并，区 F1 的首址，取消 F2 的表项
(d) 新建一个表项。

注：
外碎片：主存中的一个空闲区域在分配给作业后，一般总是剩余一个更小的空闲区。当这样的小分区不能再装入一个作业时，即不能被利用时，它们也成为主存碎片，这样的分区在作用使用的分区之外，所以称为外碎片。

内存紧凑技术（ 拼接技术）：通过移动各个作业分区的存储位置，把多个外碎片拼接成一个较大的空闲区，从而可以用于存放另一个新的作业。

采用动态重定位技术，一个作业在内存中移动后，只要改变重定位寄存器的内容即可。

5.3.3 分区管理存储保护

存储保护是为了防止一个作业有意或无意地破坏操作系统或其他作业。
1． 界限寄存器保护（上下界保护法）（上、下限）（PCB）
如图示：把作业 X 分配在 60K 到 124K 的一个分区内，当调度到该作业在 CPU 上执行时，由 OS 把这对寄存器分别设置成 60K 和 124K。在作业运行过程中形成的每一个访问地址，与这两个寄存器的值比较，进行地址有效性检验，发现非法访问时产生中断。

2． 基址，限长寄存器法（基址、限长）
限长寄存器中的值代表可以使用的最大地址位移量（即相对地址或逻辑地址），基址寄存器用以存放运行作业的起始地址。
Load 1,500——取逻辑地址 D=500 号单元的数到 1 号寄存器中。
在 CPU 执行该指令时，由硬件对所要访问的逻辑地址 D 进行检查：
若 D>n（n 为限长值），则说明地址越界，即所要访问的内存地址超出本作业所占用的存储空间，这将产生保护中断，控制转给 OS 去进行出错处理。
若 D<n，则说明地址合法，做重定位工作。

3． 保护键法（锁、钥匙）（状态子 PSW）
对每个分区分配一个唯一的保护健，它是一个 N 位的二进制代码，相当于该分区的一把锁，而在程序状态寄存器 PSW 种，设置有保护键字段，它相当于一把钥匙，在执行存储访问指令时，先要检查被访问的单元所在分区的锁和钥匙是否相符。若符合则允许访问，否则不可以。因此，当某一分区分配给作业时，同时分配给他一个唯一的键码，当该作业执行时，PSW 中的保护字段置相应的键码。这样，它在访问本作业的存储区时，由于锁钥匙相配可以顺利地进行。如果该作业在运行中不正确的访问时，则会因为钥匙不匹配而产生保护中断，并把控制转给 OS 进行出错处理。为了保证 OS 能够访问内存的所有单元，可以规定一种”万能钥匙”，如当 PSW 中保护键字段全为 0 时，则不进行钥锁匹配检查。这样，就可以访问所有内存空间。