内存的基础知识

 什么是内存，有何作用？

内存可存放数据。

程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾

指令的工作是基于“地址”的，每个地址对应一个数据的存储单元

如何把逻辑地址转换为物理地址？

1.绝对装入

2.可重定位装入（静态重定位）

3.动态运行时装入（动态重定位）

绝对装入：

在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存

绝对装入只适用于单道程序环境，灵活性低

静态重定位：

又称为可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址，可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）

静态重定位在程序运行期间不可移动，因为指令要操作的物理地址已经写死了

动态重定位：

又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

从写程序到程序运行

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（编译就是把高级语言翻译成机器语言）

链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块、以及需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块

装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行

链接的三种方式

1.静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开

2.装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式

3.运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享

        程序执行中不需要用到，则不需要装入

总结

内存管理的概念

操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，要管些什么呢？

1.操作系统负责内存空间的分配与回收

2.操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充

3.操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换

 4.内存保护

 

总结：

覆盖与交换

 覆盖技术

覆盖技术：用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题

覆盖技术的思想：将程序分为多个段（多个模块）

常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存

内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”

需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）

不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存

 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖

缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担

交换技术

交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

 中级调度（内存调度）：就是决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存

注意：PCB会常驻内存，不会被换出外存

总结

连续分配管理方式

单一连续分配

在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区

系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据；用户区用于存放用户进程相关数据。

内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间

优点：实现简单，无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护（eg：早期的PC操作系统 MS-DOS）

缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；存储器利用率极低

        内部碎片：分配给某进程的内部区域中，如果有些部分没有用上，就是“内部碎片”

固定分区分配

20世纪60年代出现了支持多道程序的系统，为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式

 分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适合用于一台计算机控制多个相同对象的场合（比如：钢铁厂有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序）

操作系统需要建立一个数据结构——分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按区分大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）

 当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，从中找到一个能满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配”

优点：实现简单，无外部碎片

 缺点：a.当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能

            b.会产生内部碎片，内存利用率低

动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的阿晓正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的（eg：假设某计算机内存大小为64MB，系统区8MB，用户区共56MB...）

1. 操作系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？

  2.当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

把一个新作业装入内存时，需按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表（或空闲分区链）中选出一个分区分配给该作业。

3.如何进行分区的分配与回收操作？

 

 

 

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的

动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片

内部碎片：分配给某进程的内存区域中，有些部分没有用上

外部碎片：是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用

如果内存中空闲空间的总和本来可以满足进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，因此这些碎片不能满足进程的需求

可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术解决外部碎片

动态分区分配应使用动态重定位装入方式配合紧凑技术

总结：

动态分区分配算法

动态分区分配算法：在动态分区分配方式中，当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

首次适应算法

算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区

如何实现：空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

最佳适应算法

算法思想：由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区。即，优先使用更小的空闲区

如何实现：空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小的、难以利用的内存块。因此这种方法会产生很多的外部碎片

最坏适应算法

又称最大适应算法（Largest Fit）

算法思想：为了解决最佳适应算法的问题——即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用

如何实现：空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

缺点：每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的空闲区更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲区被迅速用完。如果之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用了

邻近适应算法

算法思想：首次适应算法每次都要从链头开始查找，这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区。而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题

如何实现：空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表）。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表）。找到大小能满足要求的第一个空闲分区

首次适应算法每次都要从头开始查找，每次都需要检索低地址的小分区。但是这种规则也决定了当低地址部分有更小的分区可以满足需求时，会更有可能用到低地址部分的小分区，也会更有可能把高地址部分的大分区保留下来（最佳适应算法的优点）

临近适应算法的规则可能会导致无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用，也就导致了高地址部分的大分区更有可能被使用，划分成小分区，最后导致无大分区可用（最大适应算法的缺点）

总结

综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好

基本分页存储管理的基本概念

 什么是分页存储

重要的数据结构——页表

 问题一：每个页表项占多少字节？

 页表项时连续存放的，因此页号可以是隐含的，不占用存储空间（类比数组）

 

问题二：如何实现地址的转换？

 

子问题：如何确定一个逻辑地址对应的页号、页内偏移量？

 

逻辑地址结构

 总结

 基本地址变换机构

基本地址变换机构可以借助进程的页表将逻辑地址转换为物理地址

通常会在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M

进程未执行时，页表的始址和页表长度放在进程控制块（PCB）中，当进程被调度时，操作系统内核会把它们放到页表寄存器中

 

例题：

 对页表项大小的进一步探讨：

总结

 具有快表的地址变换机构

 什么是快表

快表，又称联想寄存器（TLB），是一种访问速度比内存快很多的高速缓存（TLB不是内存），用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度。与此同时，内存中的页表常成为慢表

快表工作原理

快表中存放的是页表的一部分副本

 

 

局部性原理

总结

 两级页表

 单级页表存在的问题

 此外，根据局部性原理，很多时候进程在一段时间内只需要访问某几个页面就可以正常运行了，因此没有必要让整个页表都常驻内存

如何解决单级页表的问题？

两级页表的原理、地址结构

如何实现地址变换

解决问题二

需要注意的几个细节

1.采用多级页表机制，则各级页表的大小不能超过一个页面

 如果没有快表，n级页表访存次数是n+1

 总结

基本分段存储管理方式

分段

 

段表

地址变换

 

分段、分页管理的对比

页是信息的物理单位。分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的

段是信息的逻辑单位。分段的主要目的是更好地满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名

页的大小固定且由系统决定；段的长度不固定，取决于用户编写的程序

分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需要给出一个记忆符即可表示一个地址

分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，又要给出段内地址

分段比分页更容易实现信息的共享和保护

 

访问一个逻辑地址需要几次访存？

分页（单级页表）：第一次访存——查内存中的页表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存

分段：第一次访存——查内存中的段表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存

与分页系统类似，分段系统中也可以引入快表结构，将近期访问过的段表项放到快表中，这样可以减少一次访问，加快地址变换速度

总结

段页式管理方式

 分页、分段的优缺点分析

分段+分页=段页式管理

 

段表、页表

 

总结

虚拟内存的基本概念

 

传统存储管理方式的特征、缺点

虚拟内存的定义和特征

如何实现虚拟内存技术

总结

请求分页管理方式

请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别：

在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序（操作系统要提供请求调页功能，将缺失页面从外存调入内存）

若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出外存（操作系统要提供页面置换的功能，将暂时用不到的页面换出外存）

 页表机制

缺页中断机构

 缺页中断是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断

地址变换机构

 

①只有“写指令”才需要修改“修改位”。并且，一般来说只需修改快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表。这样可以减少访存次数

②和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留CPU现场

③需要用某种“页面置换算法”来决定一个换出页面

④换入/换出页面都需要启动慢速的I/O操作，可见，如果换入/换出太频繁，会有很大的开销

⑤页面调入内存后，需要修改慢表，同时也需要将表项复制到快表中

总结

页面置换算法

 最佳置换算法（OPT）

最佳置换算法（OPT，Optimal）：每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率

 缺页率：9/20=45%

 

最佳置换算法可以保证最低的缺页率，但实际上，只有在进程执行的过程中才能知道接下来会访问的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问序列。因此，最佳置换算法是无法实现的

先进先出置换算法（FIFO）

先进先出置换算法（FIFO）：每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面

实现方法：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块

 

最近最久未使用置换算法（LRU）

最近最久未使用置换算法（LRU，least recently used）：每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

实现方法：赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中t值最大的，即最近最久未使用的页面

 最近最久未使用置换算法（LRU）的实现需要专门的硬件支持，虽然算法性能好，但是实现困难，开销大

时钟置换算法（CLOCK）

改进型的时钟置换算法

第一优先级：最近没访问，且没修改过的页面

第二优先级：最近没访问，但修改过的页面

第三优先级：最近访问过，但没修改过的页面

第四优先级：最近访问过，且修改过的页面

总结

页面分配策略

 

页面分配、置换策略

 

 

何时调入页面

从何处调入页面

抖动（颠簸）现象

工作集

驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合

工作集：指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合

 

总结

 

内存映射文件

 什么是内存映射文件

内存映射文件——操作系统向上层程序员提供的功能（系统调用）

方便程序员访问文件数据

方便多个进程共享同一个文件

传统的文件访问方式

 

内存映射文件（Memory-Mapped Files）

 

总结

 

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内存部分完结，希望大家能有所收获~~❀