操作系統(tǒng)課件之第四章存儲器管理

操作系統(tǒng)課件之第四章存儲器管理存儲器管理概述存儲器組織結構內存分配與回收虛擬內存管理存儲器管理性能優(yōu)化存儲器管理概述01存儲器管理的功能為每個進程分配所需的內存空間，包括代碼、數(shù)據(jù)和堆棧。當進程完成或釋放其內存時，操作系統(tǒng)負責回收這些內存。確保每個進程只能訪問其分配的內存空間，防止非法訪問。通過虛擬內存技術，將物理內存與外部存儲器結合，提供更大的可用內存空間。內存分配內存回收內存保護內存擴充固定分區(qū)存儲器管理可變分區(qū)存儲器管理頁式存儲器管理段式存儲器管理存儲器管理的分類將內存劃分為固定大小的分區(qū)，每個進程分配一個分區(qū)。將內存分為固定大小的頁，每個進程也分為頁，通過頁表進行映射。根據(jù)進程大小動態(tài)分配內存分區(qū)。將內存分為段，每個段可以包含多個頁，更靈活地滿足不同進程的需求。物理內存管理虛擬內存管理分頁和分段技術多級存儲器結構存儲器管理的發(fā)展歷程01020304早期計算機系統(tǒng)直接管理物理內存。為了解決內存不足和保護問題，引入了虛擬內存技術。為了提高內存利用率和靈活性，出現(xiàn)了分頁和分段技術。隨著硬件技術的發(fā)展，形成了多級存儲器結構，包括高速緩存、主存和輔存。存儲器組織結構020102固定分區(qū)存儲器管理優(yōu)點是簡單易行，可充分利用主存儲器空間；缺點是靈活性差，不能根據(jù)作業(yè)大小動態(tài)分配存儲空間，可能會導致空間的浪費。固定分區(qū)存儲器管理是指將主存儲器劃分為若干個固定大小的區(qū)域，每個區(qū)域只存放一個作業(yè)。動態(tài)分區(qū)存儲器管理是指根據(jù)作業(yè)的大小動態(tài)地分配存儲空間。當作業(yè)運行時，根據(jù)需要為其分配一定數(shù)量的主存空間；當作業(yè)釋放時，將其占用的空間歸還給系統(tǒng)。優(yōu)點是能夠根據(jù)作業(yè)大小動態(tài)分配存儲空間，避免了空間的浪費；缺點是實現(xiàn)起來相對復雜，需要維護空閑分區(qū)表等數(shù)據(jù)結構。動態(tài)分區(qū)存儲器管理頁式存儲器管理頁式存儲器管理是指將主存儲器劃分為大小相等的頁面，每個頁面可存放一個作業(yè)的一個部分。優(yōu)點是實現(xiàn)了離散分配，可根據(jù)作業(yè)的大小動態(tài)分配存儲空間；缺點是可能會出現(xiàn)頁內碎片，即頁面內存在未被利用的空間。段式存儲器管理是指將主存儲器劃分為若干個大小不等的段，每個段可存放一個作業(yè)的一個部分。優(yōu)點是方便分段保護和共享，可根據(jù)作業(yè)的需求動態(tài)分配存儲空間；缺點是實現(xiàn)起來相對復雜，需要維護段表等數(shù)據(jù)結構。段式存儲器管理內存分配與回收03在程序運行前，將程序中的數(shù)據(jù)和代碼分配到固定的內存區(qū)域，程序運行期間不會改變。靜態(tài)內存分配在程序運行期間，根據(jù)需要動態(tài)地分配和回收內存，可以提高內存利用率和靈活性。動態(tài)內存分配將內存劃分為多個段，每個段用于存儲特定類型的數(shù)據(jù)或代碼。分段內存分配將內存劃分為多個頁，每頁有固定的大小。通過將程序劃分為多個頁，可以實現(xiàn)內存的離散分配和回收。分頁內存分配內存分配策略程序員需要顯式地釋放不再使用的內存，但容易出錯且難以管理。手動回收垃圾回收引用計數(shù)分代收集自動檢測并回收不再使用的內存，減輕程序員的工作負擔，提高內存管理的可靠性和效率。通過跟蹤每個內存塊的引用計數(shù)來回收內存，當引用計數(shù)為零時，該內存塊可以被回收。將內存中的對象按照存活時間和使用頻率分為不同的代，根據(jù)不同代的特性采用不同的回收策略。內存回收策略通過壓縮內存中的數(shù)據(jù)來減少內存占用和提高內存利用率。內存壓縮通過共享內存中的數(shù)據(jù)來減少內存占用和提高數(shù)據(jù)利用率。內存共享預測程序未來的內存需求，提前從磁盤加載數(shù)據(jù)到內存中，以減少等待時間和提高程序性能。內存預取將不同性質的數(shù)據(jù)和操作分別放在不同的存儲器層次中，以提高存儲器的訪問速度和利用率。內存分級內存優(yōu)化技術虛擬內存管理04虛擬內存的概念與作用概念虛擬內存是一種內存管理技術，通過映射機制將邏輯地址轉換為物理地址，使得程序可以訪問比實際物理內存更大的內存空間。提高內存利用率通過將不常用的數(shù)據(jù)放到硬盤上，釋放物理內存空間給其他程序使用。實現(xiàn)程序并發(fā)執(zhí)行多個程序同時運行，共享物理內存和硬盤空間。提高內存訪問速度通過將常用的數(shù)據(jù)放到更快的硬盤上，減少訪問時間。LRU（LeastRecentlyUsed）算法：選擇最長時間未被使用的頁面進行替換。FIFO（FirstInFirstOut）算法：選擇最早加載到內存的頁面進行替換。最佳置換算法（Optimal）：選擇將來最長時間不會被訪問的頁面進行替換。先進先出算法（FIFO）：選擇最早加載到內存的頁面進行替換。01020304頁面置換算法預先為每個進程分配一定數(shù)量的物理內存，直到進程結束。固定分配策略動態(tài)分配策略分段式分配策略根據(jù)進程的實際需要動態(tài)地分配物理內存。將進程的邏輯地址空間劃分為多個段，每個段對應一個物理內存區(qū)域。030201頁面分配策略存儲器管理性能優(yōu)化05內存訪問沖突是指多個進程同時訪問同一內存地址時產(chǎn)生的沖突，可能導致數(shù)據(jù)錯誤或程序崩潰。解決內存訪問沖突的方法包括使用鎖機制、信號量機制、避免死鎖等，以實現(xiàn)進程間的互斥訪問和同步控制。內存訪問沖突的解決內存碎片的整理內存碎片是由于頻繁的內存分配和釋放操作導致的，使得內存空間被分割成許多小塊，降低了內存使用效率。內存碎片整理技術包括移動和合并內存塊、垃圾回收等，以重新整理和利用碎片化的內存空間。提高內存使用效率是