存储管理

1 程序的装入与链接

编译：源代码——目标代码
链接：目标代码+所需库函数=装入模块
装入：将装入模块装入内存，该过程也叫做地址重定位，也称地址映射

地址空间： 源程序经编译后得到的目标程序，存在于它所限定的地址范围内，此范围称地址空间。地址空间是逻辑地址的集合。
存储空间： 指主存中一系列存储信息的物理单元的集合，这些单元的编号称为物理地址。存储空间是物理地址的集合。
程序的装入方式：
重定位（地址映射）：把用户程序中的相对地址（逻辑地址）转换为主存中的绝对地址（物理地址）过程。

• 静态重定位：编译时产生相对地址，装入程序确定要装入模块的地址，并在装入时进行重定位，程序运行中不允许在内存移动。
• 动态重定位：编译时产生相对地址，装入程序在把装入模块装入内存时，不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是推迟到程序要真正执行时才进行。

程序的链接方式：

• 静态链接：对相对地址进行修改；变换外部调用符号。

• 装入时动态链接：在装入内存时，边装入边链接
  便于软件版本的修改和更新
  便于实现目标模块共享

• 运行时动态链接：运行时，用到哪个模块，再链接哪个模块，用不到的模块可不装入内存。

2 连续分配存储管理方式

连续分配：指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。

2.1 单一连续分配

将整个内存区域分为系统区域和用户区域两部分：
（1）系统区域：提供给操作系统使用。
（2）用户区域：供应用程序使用的内存区域。

应用范围：单用户、单任务操作系统。如：CP/M、DOS2.0以下。
操作系统的任务就是将系统程序和用户程序分开。
方法：用基址-限长寄存器。

2.2 固定分区分配

固定分区：在进程装入内存之前，由操作员或操作系统把内存划分成若干个大小不等的分区。一旦划分就保持不变。

方法：分区在系统启动后划分好，以后不能改变。
应用范围：多道程序设计系统最简单的一种方式。如：60年代的IBM360上的MFT。
划分分区方法：分区大小相等或分区大小不等
缺点：内存利用率低

2.3 可变分区分配

可变分区：在进程装入内存时，把可用的内存空间“切出”一个连续的区域分配给进程，整个内存的分区大小和分区的个数是根据进程的大小动态划分的。
动态分区分配数据结构：空闲分区表和空闲分区链。

动态分区分配算法
（1）首次适应法
该算法要求空闲分区以地址递增的次序排序，采用链表结果，分配内存时从链表的开始顺序查找，直到找到一个满足进程大小要求的空闲分区为止。
适用： 优先使用内存中低地址部分的空闲空间，高地址部分很少被利用，从而保证高地址部分留有较大的空闲分区。
缺点： 低地址部分不断被“分割”，留下许多难以利用的小空闲分区。每次查找从低地址到高地址，影响查找速度。
（2）下次适应法
为了避免查找时总是从低地址开始，因此下次适应法要求从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区查找。为了实现该算法，需要设置起始查询指针，用于指示下一次查询的起始位置。
特点： 可以使内存得到比较均衡的使用，减少查找空闲分区的开销，但会使系统缺乏大的空闲分区，导致比较大的进程无法运行。
（3）最佳适应法
为进程分配内存时，总是把与进程大小最匹配的空闲分区分配出去。首先将空闲分区按照分区大小递增的顺序形成一个空闲分区链。当进程要求分配内存时，第一次找到的满足要求的空闲区必然是最优的。
优点： 可以匹配到与进程大小相等的空闲分区，并可以保留有较大的空闲分区。
缺点： 链表的头部会留下许多难以利用的小空闲区，称为碎片，影响分配速度。
（4）最坏适应法
该算法与最佳适应算法相反，要求空闲区按分区大小递减的顺序排序，每次分配时，从链首找到最大的空闲分区“切出”一块分配。
优点： 基本不会留下小空间分区，不易形成碎片。
缺点： 大的空闲分区被“切割”，当有较大的进程需要运行时，系统往往不能满足要求。

3 离散分配方式

连续分配方式带来的问题是会在存储空间中产生许多“碎片”。能否将进程分配到许多不相邻的分区中呢？由此产生离散分配方式。

3.1 页式存储管理

基本原理：

• 将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面或页；
• 内存空间分成与页大小相等的若干个存储块，称为物理块或页框。、
• 在为进程分配内存时，以块为单位，将进程中的若干页分别装入多个可以不相邻的块中。
  

页面大小的选择：
页面的大小由机器的地址结构决定的。
页面的大小的权衡：

• 页面较小----内存碎片小；页表过长，占用较大内存空间。
• 页面较大----页表短，占用较少内存；内存碎片大。

通常页面的大小要适中，在512B~4MB之间。

页式存储管理逻辑地址结构：


快表：

两级页表：
现代的计算机系统都支持大的逻辑地址空间，当地址空间较大（32位或64位）如32位时，若页面大小为4KB=212B，有页表项目220=1M，又因为每个页表项占4B，故每张页表要占用4MB内存。
对页表所需地址空间采用离散分配方式来解决——两级和多级页表。
将当前需要的部分页表项调入内存，其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要时再调入内存。
SUN公司的SPARC支持三级页表，Motorola公司的68032支持四级页表。

3.2 段式存储管理

分页和分段的区别：
分页和分段的目的：

• 页是信息的物理单位，分页是系统管理的需要，而不是用户的需要。
• 段是信息的逻辑单位，它含一组意义完整的信息。分段是为了更好地满足用户的要求。

页和段长度：

• 页的大小固定，由系统确定。
• 段的长度不固定，决定于用户所编写的程序。

地址空间：

• 分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间。
• 分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，需给出段名和段内地址。

段的共享与保护：
由于段是信息的逻辑单位，用户易于实现对段的共享，也容易对段进行保护。而页虽也可共享，但不方便。

例如：有一个多用户系统，可同时容纳40个用户，它们都执行一个文本编辑程序，该文本编辑程序含有160KB的代码和40KB的数据。
答：如不共享，共需16040+4040=8MB的内存空间来支持40个用户。
若代码是可重入的，则无论是分页系统还是分段系统都可以共享该代码段，因此内存只需留一个文本编辑程序，所需空间为160+40*40=1760KB。

3.3 段页式存储管理