一、内存的基础知识

1、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。内存的存储单元编地址:

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  一台手机有 4GB 内存,是什么意思?是指该内存中可以存放 4*2 ^ {30} 个字节。如果是按字节编址的话,也就是有 4*2^{30} =2^{32} 个“小房间”,所以地址需要用 32 个二进制位来表示(0~ 2^{32}-1)。

补充:

  • 2^{10}=1K(千)
  • 2^{20}=1M(兆,百万)
  • 2^{30}=1G(十亿,千兆)

2、从写程序到程序运行

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  • 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为机器语言);
  • 链接:由链接程序将编译后形成的一组目标模块,以及所需库函数链接在一起,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。

3、程序链接的三种方式

  • 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连接成一个完整的可执行文件(装入模块,完整的逻辑地址),之后不再拆开。
  • 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。
  • 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。

4、程序装入的三种方式

(1)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。 程序中使用的绝对地址,可在编译或汇编时给出,也可由程序员直接赋予。通常情况下都是编译或汇编时再转换为绝对地址。

(2)可重定位装入(静态重定位)

  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)。

  静态重定位的特点是在一个作业装入内存时,必须分配其要求的全部内存空间,如果没有足够的内存,就不能装入该作业。作业一旦进入内存后,在运行期间就不能再移动,也不能再申请内存空间。

(3)动态运行时装入(动态重定位)

  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,并不会立即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(重定位寄存器:存放装入模块存放的起始位置)。

  采用动态重定位时,允许程序在内存中发生移动,并且可将程序分配到不连续的存储区中;在程序运行前只需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;便于程序段的共享,可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。

5、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?

  • 操作系统负责内存空间的分配与回收;
    • 连续分配管理方式;
    • 非连续分配管理方式;
  • 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;
  • 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(三种装入方式);
  • 操作系统需要提供内存保护功能,保证各进程在各自存储空间内运行,互不干扰。

内存保护

  保证各进程在各自存储空间内运行,互不干扰。

方法一

  在 CPU 中设置一对上、下限寄存器,存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时,CPU检查是否越界。

方法二

  采用重定位寄存器(又称基址寄存器)和界地址寄存器(又称限长寄存器)进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。

6、总结

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二、覆盖与交换

1、覆盖技术

  早期的计算机内存很小,因此经常会出现内存大小不够的情况。后来人们引入了覆盖技术,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。

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  覆盖技术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。 覆盖技术只用于早期的操作系统中,现在已成为历史。

2、交换(对换)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)。暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态,suspend),挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。

(1)三个问题

① 应该在外存(磁盘)的什么位置保存被换出的进程?

  具有对换功能的操作系统中,通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件,主要追求存储空间的利用率,因此对文件区空间的管理采用离散分配方式;对换区空间只占磁盘空间的小部分,被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度,因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度,因此通常对换区采用连续分配方式。总之,对换区的 I/O 速度比文件区的更快。

② 什么时候应该交换?

  交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行,而系统负荷降低就暂停。例如:在发现许多进程运行时经常发生缺页,就说明内存紧张,此时可以换出一些进程;如果缺页率明显下降,就可以暂停换出。

③ 应该换出哪些进程?

  可优先换出阻塞进程;可换出优先级低的进程;为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出,有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间…

注意:PCB会常驻内存,不会被换出外存。

3、总结

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三、连续分配管理方式

  连续分配:指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

1、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(分配给某进程的内存区域中,如果有些部分没有用上,就是“内部碎片”);存储器利用率极低。

2、固定分区分配

  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,但是很适合用于用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)。
  • 分区大小不等:增加了灵活性,可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分 (比如:划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区)。

  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,通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态(是否已分配)。

  • 优点:实现简单,无外部碎片。
  • 缺点: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;会产生内部碎片,内存利用率低。

3、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,如果有些部分没有用上。
  • 外部碎片: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某进程的要求,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,即对进程的内存空间进行移动)技术来解决外部碎片。

(1)两个问题

① 系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况?

  • 空闲分区表:每个空闲分区对应一个表项。表项中包含分区号、分区大小、分区起始地址等信息。
  • 空闲分区链:每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。起始部分处还可记录分区大小等信息。

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,须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。

4、总结

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四、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?

1、首次适应算法(First Fit)

  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。

2、最佳适应算法(Best Fit)

  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”到来时能有连续的大片空间,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。

3、最坏适应算法(Worst Fit,最大适应算法)

  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。

4、邻近适应算法(Next Fit)

  算法思想:首次适应算法每次都从链头开始查找的。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。

5、总结

  首次适应算法每次都要从头查找,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)。邻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可能被使用,划分为小分区,最后导致无大分区可用(最大适应算法的缺点)综合来看,四种算法中,首次适应算法的效果反而更好。

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标题:存储器管理(装入、链接、覆盖、交换以及连续分配管理方式)——操作系统笔记
作者:Yi-Xing
地址:http://zyxwmj.top/articles/2020/11/25/1606314450243.html
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