操作系统复习3.1.0-内存

news2024/11/19 19:29:29

内存

程序是由内存放到CPU才可处理，前面一直有提到外存、内存，外存I/O速度十分慢，而内存I/O速度快，CPU I/O速度也快。
因此内存是缓和外存和CPU间I/O速率差异问题
为区分并发环境下程序数据存放地方，就给内存的存储单元编址，单位为存储单元
按字节编址，每个存储单元为1字节，1B，8bit
按字编址，每个存储单元为1字，16bit

2^10 = 1 k
2^20 = 1 M
2^30 = 1 G

进程运行基本原理

指令结构

在这里插入图片描述
操作码+取数据地址+存数据地址，这里给出了实际物理地址，实际上应为逻辑地址

逻辑地址和物理地址

绝对地址就是物理地址，相对地址就是逻辑地址，如起点为101110,101111则为下一个单元的物理地址，相对地址写为N+1

写程序到程序运行

编译–>链接–>装入

编译

编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块 (高级语言–>机器语言)

链接

链接程序将目标模块与所需库函数链接在一起，形成完整的装入模块

装入/装载

装入程序将装入模块装入内存运行

程序装入内存

装入模块中的指令地址变成相对地址，有三种装入方式：绝对装入、静态重定位、动态重定位

绝对装入

得知程序放入内存位置，编辑程序产生绝对地址的目标代码，但实际上不可能，因为这只适用于单道程序环境

静态重定位

编译、链接后的装入模块的地址都从0开始，地址都为逻辑地址，装入时对地址进行重定位，将逻辑地址转换为物理地址
但缺点在必须要内存有能够完整装入作业的空间，运行期间也不能再移动和申请内存空间

动态重定位

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，当程序要真正执行时才进行地址转换，由于装入内存时的地址为逻辑地址，这是需要个重定位寄存器，用于记录模块存放的起始地址

程序运行前只需装入部分代码，并可将程序分配到不连续的存储区中，运行时动态申请分配内存，允许程序在内存中移动

链接的三种方式

静态链接：装入前将所有模块和对应的库函数连接成一个完整的可执行模块
装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接
运行时动态链接：执行时需要目标模块时才进行链接

内存管理

内存空间分配和回收

操作系统负责内存空间分配和回收，记录哪些内存区域分配出去了，判断哪些内存可被回收和如何回收

单一连续分配

在这里插入图片描述

在此方式下，内存分为系统区和用户区
系统区位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据
用户区位于内存的高地址部分，用户程序独占整个用户区空间
内存中只能有一道用户程序

优点：实现简单，不存在外存碎片，可采用覆盖技术扩存，不一定需要内存保护
缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中，会有内存碎片，内存利用率不高

固定分配

在这里插入图片描述
按比例分区，若干个固定大小的分区，每个分区只装入一道作业，但内存利用率依旧不高
系统利用分区说明表，记录分区的分配状态来管理
优点：实现简单，无外部碎片
缺点：大小已经被定好，只能使用覆盖解决，但牺牲性能
产生内部碎片

动态分区分配

在这里插入图片描述
不预先分配，根据进程大小动态建立分区，产生外部碎片，产生某些空闲分区过小而难以利用，需要通过拼凑解决外部碎片

系统通过空闲分区表/空闲分区链
空闲分区表：记录分区大小，起始地址，状态
空闲分区链：每个分区起始部分和末尾部分分别设置前后指针，并记录分区大小

这里就涉及了如何选择空闲分区和回收分区的方法了

内存分配

连续分配和非连续分配

空闲内存的管理

空闲分区表：从被选择的空闲分区首地址起分配，若仍有空闲则更新表项起始地址和大小，否则就直接删除表项
空闲分区链则雷同

首次适应 First Fit

每次从低地址开始查找，使用第一个符合的空闲分区
低地址部分会产生很多空闲分区

最佳适应 Best Fit

优先使用更小的，符合的空闲分区
但这造成了产生外部碎片，且是十分难利用的碎片

最坏适应 Worst Fit

优先使用更大的，符合的空闲分区
解决了内存碎片问题，但大进程进入时，无法被放入

邻里适应 Next Fit

每次开始查找适合的空闲分区时，从上一次查询结束处开始，形成循环
解决首次适应造成的低地址部分产生难以利用的内存碎片，且减少了每次都需要从头开始的查找开销
在这里插入图片描述

内存回收

空闲分区表：合并到邻接的空闲区，并更新对应分区的大小，若没有邻接的则增加表项，记录对应数据
空闲分区链则雷同

内存空间拓展

通过虚拟技术，在逻辑上拓展内存空间

覆盖技术

程序大小超过物理内存总和时需要使用覆盖技术
将程序分段，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
常驻内存的段放在固定区，调入后不再调出
不常用的段放在覆盖区，需要时调入，不需要时调出
在这里插入图片描述
由程序员声明覆盖结构，操作系统自动完成覆盖，增加编程负担，已被废弃

交换技术

内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，外存中某些已具备运行条件的进程换入内存，前面提及的中级调度就是，将内存中的进程放入外存，处于挂起态

磁盘空间分区为文件去和对换区
文件区主要用于存放文件，追求存储空间的利用率，对文件区空间的管理采用离散分配方式
对换区只占磁盘空间小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。
对换区的速度影响系统整体速度，因此为了追求换入换出速度，采用连续分配方式，对换区的I/O比文件去的更快
交换通常发生在内存紧张时，不紧张时则停止
优先换出阻塞、优先级低的进程，考虑驻留时间等…
如前面提到的，PCB一直在内存中