內(nèi)存管理概述

關于內(nèi)存管理概述第一頁，共四十頁，2022年，8月28日一、概述1.存儲體系2.內(nèi)存/主存3.存儲管理的目的4.存儲管理的任務5.單一用戶（連續(xù)區(qū)）存儲管理方案第二頁，共四十頁，2022年，8月28日1.存儲體系主要問題：CPU自身的運算速度很快，內(nèi)存、外存的訪問速度受到限制操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)各存儲器的使用使CPU的運算速度得到發(fā)揮Cache主存/內(nèi)存磁盤/外存寄存器速度更快成本更低容量更大CPU第三頁，共四十頁，2022年，8月28日2.內(nèi)存/主存由存儲單元（字節(jié)或字）組成的一維連續(xù)的地址空間用來存放當前正在運行程序的代碼及數(shù)據(jù)是程序中指令本身地址所指的、亦即程序計數(shù)器所指的存儲器（可以由處理器直接訪問！）分為系統(tǒng)區(qū)與用戶區(qū)系統(tǒng)區(qū)：用于存放操作系統(tǒng)用戶區(qū)：用于裝入并存放用戶程序和數(shù)據(jù)第四頁，共四十頁，2022年，8月28日3.存儲管理的目的充分利用內(nèi)存，為多道程序并發(fā)執(zhí)行提供存儲基礎盡可能方便用戶使用自動裝入用戶程序用戶程序中不必考慮硬件細節(jié)系統(tǒng)能夠解決程序空間比實際內(nèi)存空間大的問題程序在執(zhí)行時可以動態(tài)伸縮內(nèi)存存取速度快存儲保護與安全共享與通信了解有關資源的使用狀況實現(xiàn)的性能和代價第五頁，共四十頁，2022年，8月28日4.存儲管理的任務（1）內(nèi)存空間的管理、分配與回收（2）存儲共享（3）存儲保護（4）內(nèi)存擴充（5）地址轉換第六頁，共四十頁，2022年，8月28日（1）內(nèi)存空間的管理、分配與回收記錄內(nèi)存的使用情況

——設置相應的內(nèi)存分配表（內(nèi)存分配、回收的依據(jù)）內(nèi)存空間劃分問題？靜態(tài)或動態(tài)，等長或不等長第七頁，共四十頁，2022年，8月28日記錄分配狀態(tài)（內(nèi)存分配表）的方法位示圖：用一位代表一個頁面（0：空閑，1：占用）0…...110…...第0頁第1頁第i頁第n-1頁空閑頁面表：包括首頁面號和頁面?zhèn)€數(shù)，連續(xù)若干

的頁面作為一組登記在表中空閑塊表：空閑塊首址和空閑塊長度，沒有記錄的區(qū)域即為進程所占用第八頁，共四十頁，2022年，8月28日程序與內(nèi)存的對應關系連續(xù)性離散性（存放方式）一次性多次性（裝入方式）駐留性交換性（退出方式）內(nèi)存分配靜態(tài)方式：程序要求的內(nèi)存空間在運行前確定 動態(tài)方式：程序要求的內(nèi)存空間在運行前及運行過程中確定內(nèi)存回收第九頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）存儲共享兩個或多個進程共用內(nèi)存中相同區(qū)域目的：節(jié)省內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用率實現(xiàn)進程通信（數(shù)據(jù)共享）共享內(nèi)容：代碼共享，要求代碼為純代碼數(shù)據(jù)共享第十頁，共四十頁，2022年，8月28日（3）存儲保護

為多個程序共享內(nèi)存提供保障，使在內(nèi)存中的各道程序，只能訪問它自己的區(qū)域，避免各道程序間相互干擾，特別是當一道程序發(fā)生錯誤時，不致于影響其他程序的運行通常由硬件完成保護功能，由軟件輔助實現(xiàn)第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日防止地址越界每個進程都有自己獨立的進程空間，如果一個進程在運行時所產(chǎn)生的地址在其地址空間之外，則發(fā)生地址越界當程序要訪問某個內(nèi)存單元時，由硬件檢查是否允許，如果允許則執(zhí)行，否則產(chǎn)生地址越界中斷，由操作系統(tǒng)進行相應處理

一般由硬件提供一對寄存器：基址寄存器：存放起始地址限長寄存器：存放長度（或上界寄存器/下界寄存器）第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日防止操作越權對于允許多個進程共享的存儲區(qū)域，每個進程都有自己的訪問權限。如果一個進程對共享區(qū)域的訪問違反了權限規(guī)定，則發(fā)生操作越權，即讀寫保護

第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日（4）內(nèi)存擴充通過虛擬存儲技術實現(xiàn)

用戶在編制程序時，不應該受內(nèi)存容量限制，所以要采用一定技術來“擴充”內(nèi)存的容量，使用戶得到比實際內(nèi)存容量大的多的內(nèi)存空間具體實現(xiàn)是在硬件支持下，軟硬件相互協(xié)作，將內(nèi)存和外存結合起來統(tǒng)一使用第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日（5）地址轉換（地址重定位、地址映射）

邏輯地址（相對地址，虛地址）物理地址（絕對地址，實地址）地址映射第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日地址映射LoadA2003456

。。1200物理地址空間LoadAdata1data13456源程序LoadA20034560100200編譯連接邏輯地址空間BA=10001100第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日邏輯地址（相對地址，虛地址）

用戶的程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標代碼，目標代碼通常采用相對地址的形式，其首地址為0，其余指令中的地址都相對于首地址而編址不能用邏輯地址在內(nèi)存中讀取信息物理地址（絕對地址，實地址）

內(nèi)存中存儲單元的地址，可直接尋址第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日地址轉換

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換為運行時由機器直接尋址的物理地址，這一過程稱為地址映射原因:當程序裝入內(nèi)存時,操作系統(tǒng)要為該程序分配一個合適的內(nèi)存空間，由于程序的邏輯地址與分配到內(nèi)存物理地址不一致,而CPU執(zhí)行指令時，是按物理地址進行的，所以要進行地址轉換第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日03456......LOADA200......0100200300.........LOADA2003456邏輯地址空間110012001300物理地址空間200VR+1000BR第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日靜態(tài)地址轉換當用戶程序被裝入內(nèi)存時，一次性實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉換，以后不再轉換

一般在裝入內(nèi)存時由軟件完成動態(tài)地址轉換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。

硬件上需要一對寄存器的支持第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日5.單一用戶（連續(xù)區(qū)）存儲管理方案

單用戶系統(tǒng)在一段時間內(nèi)，只有一個進程在內(nèi)存，故內(nèi)存分配管理十分簡單，內(nèi)存利用率低。內(nèi)存分為兩個區(qū)域，一個供操作系統(tǒng)使用，一個供用戶使用第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日用戶程序位于RAM中的操作系統(tǒng)0xFFF...0位于RAM中的操作系統(tǒng)用戶程序0ROM中的設備驅動程序用戶程序位于RAM中的操作系統(tǒng)0第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日二、分區(qū)存儲管理滿足多道程序運行的、最簡單的存儲管理方案系統(tǒng)把內(nèi)存用戶區(qū)劃分為若干分區(qū)分區(qū)大小可以相等，也可以不等一個進程占據(jù)一個分區(qū)固定分區(qū)可變分區(qū)第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日1.固定分區(qū)

預先把可分配的內(nèi)存空間分割成若干個連續(xù)區(qū)域每一區(qū)域稱為分區(qū)每個分區(qū)的大小可以相同也可以不同分區(qū)大小固定不變每個分區(qū)裝一個且只能裝一個作業(yè)第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日內(nèi)存管理：設置內(nèi)存分配表108k占用P128k16k空閑324k32k占用P2456k64k空閑5120k128k占用P3分區(qū)號起始地址長度狀態(tài)進程根據(jù)分配表查找合適的分區(qū)執(zhí)行完畢時釋放內(nèi)存第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日分區(qū)4分區(qū)3分區(qū)2分區(qū)1操作系統(tǒng)多個等待隊列單個等待隊列分區(qū)4分區(qū)3分區(qū)2分區(qū)1操作系統(tǒng)第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日2.可變分區(qū)基本思想內(nèi)存不是預先劃分好的作業(yè)裝入時，根據(jù)作業(yè)的需求和內(nèi)存空間的使用情況來決定是否分配若有足夠的空間，則按需要分割一部分分區(qū)給該進程；否則令其等待內(nèi)存空間第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日內(nèi)存管理未分配（空閑）區(qū)表記錄了空閑區(qū)的起始地址和長度已分配區(qū)表記錄了已分配區(qū)的起始地址、長度和程序第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日0K15K38K48K68K80K110K120K空閑區(qū)表已分配區(qū)表始址長度標志15K23K未分配48K20K未分配80K30K未分配空空始址長度標志0K15KP138K10KP268K12KP3110K10KP4空空第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日0K15K38K48K68K80K110K120K空閑區(qū)表已分配區(qū)表始址長度標志15K23K未分配48K20K未分配98K12K未分配空空始址長度標志0K15KP138K10KP268K12KP3110K10KP480K5KP585K13KP685K98K第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日內(nèi)存分配策略（1）首先適應算法將最先找到的第一個滿足長度的空閑區(qū)分配給進程（2）最佳適應算法將滿足長度的、最小空閑區(qū)分配給進程（3）最壞適應算法將滿足長度的、最大空閑區(qū)分配給進程第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日可變分區(qū)管理的分配算法

1）最先適應分配算法2）下次適應分配算法3)最優(yōu)適應分配算法4）最壞適應分配算法5)快速適應分配算法

第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日查找和分配算法比較(1)從搜索空閑區(qū)速度及主存利用率來看,最先適用分配、下次適應分配和最佳適應算法比最壞適應算法性能好。如果空閑區(qū)按從小到大排列,則最先適用分配算法等于最優(yōu)適應分配算法。如果空閑區(qū)按從大到小排列,則最先適用分配算法等于最壞適應分配算法。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日查找和分配算法比較(2)空閑區(qū)按從小到大排列時,最先適用分配算法能盡可能使用低地址區(qū),從而高地址空間有較大的空閑區(qū)容納大的作業(yè)。下次適應分配算法會使存儲器空間得到均衡使用。最優(yōu)適應分配算法的主存利用率最好,但可能會導致空閑區(qū)分割下來的部分很小。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日查找和分配算法比較(3)處理某種作業(yè)序列時,最壞適應分配算法可能性能最佳,它選擇最大空閑區(qū),使得分配后剩余下來的空閑區(qū)不會太小,仍能用于再分配。最先適應算法簡單、快速，在實際的操作系統(tǒng)中用得較多；其次是最佳適應算法和下次適應算法。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日

可變分區(qū)地址轉換與存儲保護

基址基址寄存器邏輯地址CPU絕對地址操作系統(tǒng)區(qū)空閑分區(qū)1用戶作業(yè)1空閑分區(qū)2限長限長寄存器<限長越界中斷第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日內(nèi)存回收當某一塊歸還后，前后空間合并，修改內(nèi)存空閑塊表

考慮：上鄰、下鄰、上下相鄰、上下不相鄰“碎片”問題經(jīng)過一段時間的分配回收后，內(nèi)存中存在很多很小的空閑塊它們每一個都很小，不足以滿足分配要求；但其總和滿足分配要求這些空閑塊被稱為碎片

造成