存儲器管理分析總結(jié)

..存儲器管理分析總結(jié)一、理解主存管理需要實現(xiàn)的功能1、地址映射 1定義：為了保證CPU執(zhí)行指令時可正確訪問存儲單元,需將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運行時由機器直接尋址的物理地址,此過程即為地址映射。 2地址映射分類： a.靜態(tài)重定位 當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時,一次性實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換,以后不再轉(zhuǎn)換〔一般在裝入內(nèi)存時由軟件完成。 b.動態(tài)重定位 在程序運行過程中要訪問數(shù)據(jù)時再進行地址變換〔即在逐條指令執(zhí)行時完成地址映射。一般為了提高效率,此工作由硬件地址映射機制來完成。由硬件支持,軟件硬件結(jié)合完成。硬件上一般需要一對寄存器的支持。 3個人理解：a.地址映射的目的：增加邏輯地址的概念,可以理解為系統(tǒng)為每個任務(wù)提供了一個虛擬內(nèi)存,任務(wù)執(zhí)行時同時存在兩個內(nèi)存,虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存,操作系統(tǒng)對虛擬內(nèi)存進行操作,對內(nèi)存管理起來更方便；而物理內(nèi)存主要就是對應(yīng)硬件的真實地址；b.地址映射的步驟：對于靜態(tài)地址映射,在程序燒寫到處理器時,已經(jīng)完成了地址的映射,并且映射關(guān)系已固定,一般內(nèi)核中大部分代碼就是實現(xiàn)的靜態(tài)地址映射；對于動態(tài)地址映射,首先操作系統(tǒng)先申請一塊虛擬內(nèi)存,之后調(diào)用映射函數(shù)之后,才實現(xiàn)了物理內(nèi)存的分配,這個主要用于用戶進程中。2、主存儲空間的分配和釋放 1定義：合理地分配和使用存儲空間也是內(nèi)存管理的重要內(nèi)容,通過實時合理的分配和釋放內(nèi)存,能達(dá)到內(nèi)存使用率的最大化。 2個人理解：這個所謂的主存儲的分配和釋放,是指操作系統(tǒng)是否對虛擬內(nèi)存進行管理分配,不是完全有用戶程序決定。3、主存儲空間的保護1定義：對于主存儲器而言,其同時存在多個用戶程序和系統(tǒng)軟件。為使系統(tǒng)正常工作,必須防止由于一個用戶程序出錯而破壞同時存在主存內(nèi)的系統(tǒng)軟件或其他用戶的程序,還須防止一個用戶程序不合法地訪問并非分配給它的主存區(qū)域。因此,存儲保護是多道程序和多處理機系統(tǒng)必不可少的部分,也是存儲管理中非常重要的一部分。 2存儲保護方法分類： a.對于連續(xù)存儲區(qū)域,采用防止地址越界方法：采用界限寄存器,限定存儲區(qū)域的上下界限。 b.對于非連續(xù)存儲區(qū)域,采用防止操作越權(quán)方法：〔這其中又可以細(xì)化為二種方法 --鍵式保護：每個頁面區(qū)域都包含一個存儲鍵,表明了存儲區(qū)域控制和保護的信息。 --環(huán)狀保護：把系統(tǒng)程序和用戶程序按重要性分層,稱為環(huán),對每個環(huán)都規(guī)定訪問它的級別,違反規(guī)定的存取操作是非法的,以此實現(xiàn)對正在執(zhí)行的程序的保護。 3個人理解： a.后面的所有存儲保護機制都是采用防止地址越界和防止操作越權(quán)兩種方法來實現(xiàn)的。4、主存儲空間的共享1定義：允許兩個不相關(guān)的進程訪問同一個邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個正在運行的進程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。不同進程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存。進程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中,所有進程都可以訪問共享內(nèi)存中的地址。 2優(yōu)點：使用共享內(nèi)存進行進程間的通信實現(xiàn)方便,數(shù)據(jù)的共享還使進程間的數(shù)據(jù)不用傳送,而是直接訪問內(nèi)存,也加快了程序的效率。 3缺點：多個進程使用共享內(nèi)存塊時,必須達(dá)成一種協(xié)議,不然會造成混亂,這個必須通過其他的比如信號量等方式來實現(xiàn)。5、主存儲空間的擴充 1定義：有限的內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大程序以及共存于內(nèi)存的多個程序的存儲要求,這就得借助于一些存儲技術(shù)來實現(xiàn)內(nèi)存的擴充。 2實現(xiàn)方法：一般采用虛擬存儲技術(shù)〔涉及到交換技術(shù),其使每個用戶作業(yè)都對應(yīng)有一個虛存,用戶編程時不必考慮實存的大小,也就是說,一個虛擬存儲器就是一個作業(yè)的邏輯地址空間。虛存的容量與內(nèi)存的容量沒有直接聯(lián)系,而是由處理機的地址線的位數(shù)來決定的。其具體實現(xiàn)采用了交換技術(shù),實現(xiàn)緩存和內(nèi)存之間的交換。二、主存管理方式的發(fā)展及其對比1、連續(xù)存儲空間管理方式具體有多種形式大類別連續(xù)存儲空間管理方式小類別無管理單一分區(qū)固定分區(qū)

〔亦為靜態(tài)分區(qū)動態(tài)分區(qū)定義無操作系統(tǒng)用于對于內(nèi)存的管理的方式有操作系統(tǒng),內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。

系統(tǒng)區(qū)用于存放操作系統(tǒng)程序,用戶區(qū)用于存放用戶程序系統(tǒng)開機初啟時,系統(tǒng)操作員根據(jù)當(dāng)天作業(yè)情況把主存的用戶區(qū)劃分成大小可以不等但位置固定的分區(qū)系統(tǒng)根據(jù)進程需要分配內(nèi)存,不劃分固定分區(qū)特點1由于沒有操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的支持,用戶通過自己編程負(fù)責(zé)所有的內(nèi)存管理工作,直接對物理地址進行操作；

2僅有物理內(nèi)存,沒有虛擬內(nèi)存；3不存在內(nèi)存的分配和釋放問題,用戶面對的是一個內(nèi)存全為空的內(nèi)存,用戶可以以任意方式使用內(nèi)存,具有最大的靈活性；4僅適用于單道程序設(shè)計。1用戶區(qū)最多存放一道用戶程序。

2可以使用靜態(tài)地址映射。若有硬件〔重定位寄存器的支持,也可以使用動態(tài)地址映射；

3基本不存在存儲擴充的問題。在上面的右圖中,若用戶程序較大,覆蓋了操作系統(tǒng)程序中可被覆蓋的部分,則當(dāng)此用戶程序結(jié)束后,操作系統(tǒng)需重新加載被覆蓋的部分。這種方式在一定程序上擴充了用戶區(qū)域；4不存在內(nèi)存的分配和釋放問題,用戶面對的用戶區(qū)內(nèi)存全為空,用戶可以以任意方式使用內(nèi)存,具有最大的靈活性；

5一般僅適用于單道系統(tǒng)。所以這種方式具有單道系統(tǒng)的所有缺點,主要是系統(tǒng)效率不高；

6使用交換技術(shù),也可以支持多道系統(tǒng)。1存儲管理需設(shè)置一張"主存分配表",用以記錄主存中劃分的分區(qū)和分區(qū)的使用情況。當(dāng)一個程序需要加載運行,系統(tǒng)可以擇一個大小合適的空閑分區(qū)分配出去。當(dāng)程序結(jié)束而釋放分區(qū)時,將分區(qū)狀態(tài)設(shè)置為空閑即可；2存在內(nèi)部碎片<分區(qū)內(nèi)未被利用空間>；3實現(xiàn)地址映射。靜態(tài)地址映射或者動態(tài)地址映射；4實現(xiàn)存儲保護,防止地址越界和防止操作越權(quán)；5實現(xiàn)共享很困難；6可以使用交換技術(shù)或覆蓋技術(shù)擴充內(nèi)存。1不對用戶區(qū)實施固定分區(qū),在實現(xiàn)主存儲空間的分配和釋放時,由操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需要來分配內(nèi)存；2這樣產(chǎn)生的問題是容易產(chǎn)生內(nèi)存外部碎片〔難以利用的小空閑分區(qū),可以采用拼接技術(shù),解決碎片問題。

3程序動態(tài)增長問題,如果該程序相鄰的分區(qū)是空閑的,將此空閑分區(qū)分配給該進程；若與該程序相鄰的分區(qū)不空閑,則將該程序移動到一個更大的空閑分區(qū)中,或者將內(nèi)存中的一個或多個非空閑分區(qū)交換到磁盤上的交換區(qū)中,若交換區(qū)已滿,則該程序只能等待或者被殺死。

4其唯一的優(yōu)點就是實現(xiàn)簡單。相較于之前管理方式的區(qū)別1無地址映射

2無主存分配和釋放

3無存儲保護

4無主存儲空間的共享

5無主存儲空間的擴充1實現(xiàn)了地址映射,可以采用靜態(tài)地址映射或動態(tài)地址映射

2實現(xiàn)存儲保護,靜態(tài)地址映射采用防止地址越界方法,動態(tài)地址映射采用防止操作越權(quán)方法

3可以犧牲系統(tǒng)區(qū)來擴充內(nèi)存,方法不是很好1在內(nèi)存分配時,把用戶區(qū)分成一個個固定大小的分區(qū),再來分配

2實現(xiàn)主存儲空間的分配和釋放,系統(tǒng)對用戶區(qū)分配實行控制

3使用交換技術(shù)或覆蓋技術(shù)擴充內(nèi)存,仍存在問題1改善了主存儲空間的分配和釋放,摒棄了用戶區(qū)固定分區(qū)亟待優(yōu)化功能1預(yù)先規(guī)定了分區(qū)大小,使得大程序無法裝入

2主存空間的利用率不高,一個作業(yè)不可能恰好填滿分區(qū)；同時一個作業(yè)運行中要求動態(tài)擴充主存,采用固定分區(qū)難實現(xiàn)

3各分區(qū)作業(yè)要共享程序和數(shù)據(jù)也難實現(xiàn)。

4分區(qū)的數(shù)目是在系統(tǒng)初啟時確定的,這就限制了多道運行的程序數(shù)。1對空間分配的連續(xù)性要求使得對于空間的使用不靈活,導(dǎo)致空間使用效率不高。

2存在碎片問題,也會導(dǎo)致空間使用效率降低。盡管可以使用拼接技術(shù)解決碎片問題,但是拼接技術(shù)是一個成本很高的方法。提高分配閥值雖有助于減少碎片,但是會降低內(nèi)存使用空間效率。

3程序的動態(tài)增長較困難。

4幾乎不支持虛擬存儲技術(shù)

5不支持內(nèi)存共享。2、非連續(xù)存儲空間管理方式也具有多種形式大類別非連續(xù)存儲空間管理方式小類別頁模式段模式段頁模式定義通過對內(nèi)存分頁,實現(xiàn)虛擬存儲技術(shù)通過對內(nèi)存分段,實現(xiàn)虛擬存儲技術(shù)通過對內(nèi)存分段同時分頁,實現(xiàn)內(nèi)存管理特點1分頁機制支持虛擬存儲技術(shù)；

2虛擬存儲技術(shù),用戶只關(guān)心虛擬地址,其物理地址的實現(xiàn)可以通過交換技術(shù),實現(xiàn)緩存和內(nèi)存的切換,從而實現(xiàn)對內(nèi)存的擴充；

3使用分頁時,每個端被劃分為頁面〔通常每頁4KB,頁面存儲與物理內(nèi)存或硬盤上,操作系統(tǒng)通過維護一個頁目錄和一些頁表來留意這些頁表信息；

4分頁管理頁面的保護,可采用的是防止操作越權(quán)的保護方式,在頁表中增加一些訪問標(biāo)志位；也可采取存儲保護鍵作為保護機制；或者越界訪問控制。1實現(xiàn)內(nèi)存分段,通過段模式實現(xiàn)對主存儲器的共享操作。1段頁式管理的地址映射,實現(xiàn)段和頁的二級映射虛擬地址到線性地址再到物理地址；

2段頁式管理是基于頁式管理的分配與釋放,所以段頁式管理的主存分配與釋放和頁式管理相同；

3>段頁式管理所支持的虛擬存儲綜合分頁和分段的虛擬存儲；

4段頁式管理所支持的共享與保護綜合和分頁和分段的共享與保護。需要注意的是,可能存在兩級訪問控制：段的訪問控制和頁的訪問控制,顯然,頁的訪問控制不能超過段的訪問控制。相較于之前管理方式的區(qū)別1增加頁概念,優(yōu)化了存儲保護；

2主存儲空間的擴充中實現(xiàn)了虛擬存儲技術(shù),1區(qū)別于頁模式的一種段模式處理方式；

2實現(xiàn)了主存儲的共享問題。1實現(xiàn)地址映射

2實現(xiàn)主存分配和釋放

3實現(xiàn)存儲保護

4實現(xiàn)主存儲空間的共享

5實現(xiàn)主存儲空間的擴充亟待優(yōu)化功能1對于內(nèi)存的共享沒有很好的解決1龐大的映射表對于存儲來說也是一種負(fù)擔(dān)；

2不斷查詢映射表也會增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān),影響系統(tǒng)效率。3、頁模式、段模式和段頁模式的深層次對比分析類別頁模式段模式段頁模式目的1.頁是信息的物理單位；

2.分頁是為實現(xiàn)離散分配方式,以消減內(nèi)存的外零頭,提高內(nèi)存的利用率；

3.分頁僅僅是由于系統(tǒng)管理的需要,而不是用戶的需要1.段是信息的邏輯單位,它含有一組其意義相對完整的信息。

2.分段的目的是為了能更好的滿足用戶的需要1.分頁系統(tǒng)能有效地提高內(nèi)存的利用率,而分段系統(tǒng)能反映程序的邏輯結(jié)構(gòu),便于段的共享與保護,將分頁與分段兩種存儲方式結(jié)合起來,就形成了段頁式存儲管理方式；

2.在段頁式存儲管理系統(tǒng)中,作業(yè)的地址空間首先被分成若干個邏輯分段,每段都有自己的段號,然后再將每段分成若干個大小相等的頁。對于主存空間也分成大小相等的頁,主存的分配以頁為單位；

3.段頁式系統(tǒng)中,作業(yè)的地址結(jié)構(gòu)包含三部分的內(nèi)容：

段號頁號頁內(nèi)位移量

4.程序員按照分段系統(tǒng)的地址結(jié)構(gòu)將地址分為段號與段內(nèi)位移量,地址變換機構(gòu)將段內(nèi)位移量分解為頁號和頁內(nèi)位移量；

5.為實現(xiàn)段頁式存儲管理,系統(tǒng)應(yīng)為每個進程設(shè)置一個段表,包括每段的段號,該段的頁表始址和頁表長度。每個段有自己的頁表,記錄段中的每一頁的頁號和存放在主存中的物理塊號。長度1.頁的大小固定且由系統(tǒng)確定,把邏輯地址劃分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分,是由機器硬件實現(xiàn)的,因而一個系統(tǒng)只能有一種大小的頁面1.段的長度卻不固定,決定于用戶所編寫的程序,通常由編輯程序在對源程序進行編輯時,根據(jù)信息的性質(zhì)來劃分地址表示1.分頁的作業(yè)地址空間是維一的,即單一的線性空間,程序員只須利用一個記憶符,即可表示一地址1.分段的作業(yè)地址空間是二維的,程序員在標(biāo)識一個地址時,既需給出段名,又需給出段內(nèi)地址存取權(quán)限1.只有讀和寫1.有讀、寫和執(zhí)行內(nèi)存連續(xù)性1.物理內(nèi)存不連續(xù)1.物理空間不連續(xù),但段內(nèi)連續(xù)優(yōu)勢1.也可以實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的共享,但沒有段模式方便易行1.易于實現(xiàn)段的共享,允許若干個進程共享一個或多個分段,且對段的保護也十分簡單易行三、分頁管理機制1、頁式管理的基本概念 分頁機制支持虛擬存儲技術(shù)。在使用虛擬存儲的環(huán)境中,大容量的線性地址空間需要使用小塊的物理內(nèi)存以及 某些外部存儲空間來模擬。使用分頁時,每個端被劃分為頁面〔通常每頁4KB,頁面存儲于物理內(nèi)存或硬盤上, 操作系統(tǒng)通過維護一個頁目錄和一些頁表來留意這些頁表信息。2、頁表結(jié)構(gòu)3、頁式管理的地址映射4、頁式管理要解決的一些問題 1如何標(biāo)識一個頁是否位于內(nèi)存中。 2當(dāng)需要從若干個已經(jīng)在內(nèi)存中的邏輯頁中選擇一個淘汰掉,那么淘汰哪一個。 3若已經(jīng)決定將某頁淘汰,但是發(fā)現(xiàn)此頁是一個臟頁〔dirtypage,即該頁被放置到內(nèi)存中后,曾經(jīng)被修改過,那么如何標(biāo)識一個臟頁,又如何淘汰臟頁。4從理論上來說,僅分配給該程序一個內(nèi)存塊就可以使程序運行,這樣做會有什么后果？給一個程序分配多少個內(nèi)存塊是合適的？分配給一個程序的內(nèi)存塊數(shù)是固定的,還是隨著程序的執(zhí)行,分配給程序動態(tài)變化的內(nèi)存塊數(shù)？在程序執(zhí)行之初,應(yīng)該初始分配給程序多少個內(nèi)存塊。 5對于較大的程序,以至于其頁表本身的大小超過一個頁的大小時,如何解決頁表本身的存儲問題。 6系統(tǒng)中存在多個并發(fā)進程,每個進程都擁有一張頁表,所有的頁表加起來會占用很多內(nèi)存空間,那么如何降低頁表所需的內(nèi)存空間。四、分段管理機制1、分段管理的基本概念 分段提供了隔絕各個代碼、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)域的機制,因此多個程序〔任務(wù)可以運行在同一個處理器上而不會互相干擾。分段機制把處理器可尋址的線性地址空間劃分成一些較小的稱為段的受保護地址空間區(qū)域。為了定位指定段中的一個字節(jié),程序必須提供一個邏輯地址,邏輯地址包括一