【大學(xué)課件】運(yùn)行時存儲空間的組織和管理

運(yùn)行時存儲空間的組織和管理運(yùn)行時存儲空間是程序在執(zhí)行期間使用的內(nèi)存區(qū)域，它包括代碼段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理和分配這些內(nèi)存空間，確保不同程序能夠安全有效地運(yùn)行。by什么是運(yùn)行時存儲空間？程序運(yùn)行時的內(nèi)存運(yùn)行時存儲空間是指程序在執(zhí)行過程中使用的內(nèi)存區(qū)域。動態(tài)分配和管理運(yùn)行時存儲空間的大小和分配方式是動態(tài)的，根據(jù)程序的需要進(jìn)行調(diào)整。存儲程序和數(shù)據(jù)運(yùn)行時存儲空間用于存儲程序代碼、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果以及系統(tǒng)資源等。運(yùn)行時存儲空間的結(jié)構(gòu)運(yùn)行時存儲空間，也稱為內(nèi)存空間，是程序在運(yùn)行時使用的內(nèi)存區(qū)域。它通常由多個邏輯區(qū)域組成，每個區(qū)域都具有特定的用途和訪問權(quán)限。這些區(qū)域協(xié)同工作以確保程序的正確執(zhí)行和數(shù)據(jù)完整性。程序的內(nèi)存分布程序在運(yùn)行時，操作系統(tǒng)會為其分配一塊內(nèi)存空間。該內(nèi)存空間被劃分為不同的區(qū)域，每個區(qū)域用于存儲不同的數(shù)據(jù)和代碼。這些區(qū)域包括代碼段、數(shù)據(jù)段、棧和堆，它們共同構(gòu)成了程序的運(yùn)行環(huán)境。代碼段存放可執(zhí)行指令程序代碼被編譯后生成的可執(zhí)行指令存儲在代碼段中，程序運(yùn)行時CPU直接從代碼段中獲取指令。只讀屬性代碼段通常被設(shè)置為只讀屬性，以防止程序意外修改自身指令，保證程序的正確性和安全性。數(shù)據(jù)段全局變量數(shù)據(jù)段存儲程序中定義的全局變量，例如函數(shù)外部定義的變量和常量。靜態(tài)變量數(shù)據(jù)段還包含靜態(tài)變量，這些變量在程序運(yùn)行期間保持其值，不會被釋放。常量程序中定義的常量，例如字符數(shù)組、字符串和數(shù)值常量。棧棧的定義棧是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它遵循后進(jìn)先出(LIFO)的原則，就像一個堆疊的盤子，最后放進(jìn)去的盤子最先被取出來。棧的操作棧的主要操作包括壓棧(push)、出棧(pop)、獲取棧頂元素(peek)以及判斷棧是否為空(empty)。棧的應(yīng)用棧在程序運(yùn)行時用于存儲函數(shù)調(diào)用、局部變量、參數(shù)以及其他臨時數(shù)據(jù)，幫助程序管理運(yùn)行時環(huán)境。堆1動態(tài)內(nèi)存分配堆是程序運(yùn)行時動態(tài)分配內(nèi)存的區(qū)域，用于存儲程序運(yùn)行過程中創(chuàng)建的動態(tài)數(shù)據(jù)。2靈活的內(nèi)存管理堆允許程序在運(yùn)行時根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存，為程序提供了靈活的內(nèi)存管理方式。3內(nèi)存碎片問題由于動態(tài)內(nèi)存分配的特性，堆容易出現(xiàn)內(nèi)存碎片問題，影響內(nèi)存利用效率。4內(nèi)存泄漏風(fēng)險如果程序沒有及時釋放不再使用的內(nèi)存，會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，最終導(dǎo)致程序崩潰。靜態(tài)變量存儲位置靜態(tài)變量存儲在程序的數(shù)據(jù)段中。數(shù)據(jù)段是程序啟動時就分配好的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲全局變量、靜態(tài)變量和常量。生命周期靜態(tài)變量的生命周期與整個程序的生命周期相同。當(dāng)程序啟動時，靜態(tài)變量被分配內(nèi)存空間，并在程序結(jié)束時釋放內(nèi)存空間。動態(tài)內(nèi)存分配運(yùn)行時分配程序在運(yùn)行時根據(jù)需要申請內(nèi)存空間，而不是在編譯時預(yù)先分配。靈活管理動態(tài)內(nèi)存分配允許程序根據(jù)實際需求調(diào)整內(nèi)存使用，提高內(nèi)存利用率。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)內(nèi)存分配廣泛應(yīng)用于創(chuàng)建各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如鏈表、樹和圖。內(nèi)存分配算法1首次適配算法從空閑分區(qū)列表中找到第一個大于或等于請求大小的分區(qū)進(jìn)行分配。2最佳適配算法從空閑分區(qū)列表中找到最接近請求大小的分區(qū)進(jìn)行分配。3最壞適配算法從空閑分區(qū)列表中找到最大的分區(qū)進(jìn)行分配。內(nèi)存分配算法決定了如何將程序所需的內(nèi)存空間分配給不同的進(jìn)程或線程。不同的算法在性能、碎片化和效率方面各有優(yōu)劣。首次適配算法算法概述首次適配算法從內(nèi)存空閑區(qū)域的起始地址開始進(jìn)行查找，找到第一個大小滿足要求的空閑區(qū)域，將內(nèi)存分配給程序。優(yōu)點算法簡單，查找速度快，適合內(nèi)存碎片較小的場景。缺點容易導(dǎo)致內(nèi)存碎片化，特別是當(dāng)程序分配的內(nèi)存大小不固定時。最佳適配算法11.最小空閑空間最佳適配算法從空閑分區(qū)列表中選擇與請求大小最接近的空閑分區(qū)分配給程序。22.內(nèi)存碎片該算法能夠有效地利用內(nèi)存空間，減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生。33.查找效率需要遍歷整個空閑分區(qū)列表，找到最合適的空閑分區(qū)，效率較低。44.復(fù)雜度由于需要排序和查找，最佳適配算法的實現(xiàn)相對復(fù)雜。最壞適配算法最大可用塊最壞適配算法總是選擇當(dāng)前內(nèi)存中最大空閑塊來分配內(nèi)存。內(nèi)存碎片導(dǎo)致大量小空閑塊無法滿足較大的內(nèi)存請求，內(nèi)存利用率低。效率低下頻繁的內(nèi)存碎片化會導(dǎo)致程序運(yùn)行速度變慢，影響性能。內(nèi)存空間的回收1內(nèi)存碎片問題內(nèi)存分配和釋放會導(dǎo)致內(nèi)存空間出現(xiàn)碎片化，降低內(nèi)存利用率。2內(nèi)存回收的必要性回收不再使用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏和系統(tǒng)崩潰，提高內(nèi)存利用率。3內(nèi)存回收的挑戰(zhàn)識別不再使用的內(nèi)存空間，確?；厥者^程安全高效，不影響正在運(yùn)行的程序。垃圾回收機(jī)制自動內(nèi)存管理自動識別和釋放不再使用的內(nèi)存。資源回收回收不再使用的內(nèi)存資源。性能優(yōu)化提高程序效率，避免內(nèi)存泄漏。引用計數(shù)法原理每個對象都維護(hù)一個引用計數(shù)器，當(dāng)對象被引用時計數(shù)器加1，當(dāng)對象被取消引用時計數(shù)器減1?；厥债?dāng)對象的引用計數(shù)器變?yōu)?時，表示該對象不再被任何地方引用，可以被安全回收。優(yōu)點實現(xiàn)簡單，效率高，適合于實時性要求高的場景。缺點無法解決循環(huán)引用的問題，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。標(biāo)記-清除法標(biāo)記階段標(biāo)記-清除法首先遍歷所有對象，標(biāo)記所有正在使用的對象。標(biāo)記過程通常使用可達(dá)性分析，從根對象開始，標(biāo)記所有可達(dá)的對象。清除階段標(biāo)記完成后，垃圾回收器會掃描整個堆，回收所有未標(biāo)記的對象。清除階段可能會導(dǎo)致內(nèi)存碎片化，因為回收后的空間可能不連續(xù)。分代收集法11.分代模型將堆內(nèi)存劃分為新生代和老年代，新生代對象存活時間短，老年代對象存活時間長。22.頻繁收集新生代對象存活率低，垃圾回收頻率高，采用復(fù)制算法進(jìn)行回收，效率高。33.偶爾收集老年代對象存活率高，垃圾回收頻率低，采用標(biāo)記-整理算法進(jìn)行回收，效率低。44.優(yōu)勢提高垃圾回收效率，減少程序暫停時間，適合大多數(shù)應(yīng)用場景。內(nèi)存泄漏問題資源浪費(fèi)內(nèi)存泄漏會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，甚至崩潰。由于程序無法釋放不再使用的內(nèi)存，最終會導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡。系統(tǒng)性能下降內(nèi)存泄漏會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢，響應(yīng)時間變長，用戶體驗下降。這是因為程序需要不斷分配新的內(nèi)存，而舊的內(nèi)存卻無法釋放。潛在的安全風(fēng)險內(nèi)存泄漏可能會導(dǎo)致程序出現(xiàn)不可預(yù)期的行為，甚至被攻擊者利用，造成安全隱患。內(nèi)存泄漏的原因未釋放內(nèi)存程序不再使用的內(nèi)存區(qū)域未及時釋放，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。錯誤指針指針指向了錯誤的內(nèi)存地址，導(dǎo)致無法訪問或釋放內(nèi)存。循環(huán)引用多個對象相互引用，導(dǎo)致內(nèi)存無法被回收。內(nèi)存泄漏的檢測與診斷內(nèi)存泄漏的檢測與診斷是至關(guān)重要的。使用各種工具和技術(shù)，例如內(nèi)存分析器、調(diào)試器和日志記錄，可以幫助程序員識別內(nèi)存泄漏的原因。通過仔細(xì)分析程序代碼，并使用內(nèi)存分析工具，可以找到內(nèi)存泄漏的根本原因。內(nèi)存泄漏的預(yù)防和修復(fù)內(nèi)存泄漏是程序運(yùn)行時動態(tài)分配的內(nèi)存空間無法及時釋放，導(dǎo)致系統(tǒng)可用內(nèi)存逐漸減少，最終可能導(dǎo)致程序崩潰或系統(tǒng)性能下降。要有效預(yù)防和修復(fù)內(nèi)存泄漏，需要結(jié)合靜態(tài)分析和動態(tài)調(diào)試方法。在編寫代碼時，要養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，例如及時釋放不再使用的內(nèi)存，避免使用懸掛指針，使用智能指針等。在程序測試階段，可以使用內(nèi)存檢測工具，例如Valgrind和AddressSanitizer，對程序進(jìn)行測試，幫助發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題。如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)存泄漏問題，需要仔細(xì)分析代碼，找到內(nèi)存泄漏的根源，并進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)方法包括：釋放不再使用的內(nèi)存，修改代碼邏輯，使用更加安全的內(nèi)存分配和釋放機(jī)制等。虛擬內(nèi)存管理內(nèi)存空間擴(kuò)展利用磁盤空間來擴(kuò)展物理內(nèi)存，使程序可以使用比實際物理內(nèi)存更大的地址空間。頁面置換算法當(dāng)內(nèi)存空間不足時，將一些頁面從內(nèi)存中移出，騰出空間加載新的頁面。提高程序效率虛擬內(nèi)存管理可以提高程序的效率，減少對物理內(nèi)存的爭奪。頁面置換算法當(dāng)內(nèi)存中沒有空閑空間時，需要將一個頁面換出到磁盤，將要換入的頁面換入內(nèi)存。頁面置換算法決定哪一個頁面會被換出。1最佳置換算法(OPT)理論上最佳的算法，但無法實現(xiàn)。2先進(jìn)先出置換算法(FIFO)最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面被先換出。3最近最少使用置換算法(LRU)最久沒有被訪問的頁面被先換出。4時鐘置換算法(CLOCK)LRU算法的簡化版本。先進(jìn)先出置換算法FIFO算法最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面最先被替換。簡單易實現(xiàn)，但可能導(dǎo)致效率低下。原理用一個隊列來模擬頁面的進(jìn)入和退出。當(dāng)發(fā)生缺頁中斷時，淘汰隊首的頁面。算法簡單，但可能導(dǎo)致抖動現(xiàn)象，即頻繁調(diào)入調(diào)出頁面。最近最少使用置換算法最近最少使用(LRU)算法LRU算法是一種頁面置換算法，它會根據(jù)頁面最近使用的時間來決定哪個頁面應(yīng)該被替換。它假設(shè)最近使用的頁面更有可能在將來再次被使用，因此，它會將最久未使用的頁面替換出來。算法原理LRU算法會維護(hù)一個頁面使用時間列表，每次頁面被訪問時，它的使用時間就會更新到列表的頭部。當(dāng)需要進(jìn)行頁面置換時，算法會選擇列表尾部的頁面進(jìn)行替換，因為該頁面是最久未使用的。優(yōu)點與缺點LRU算法的優(yōu)點是能夠有效地減少頁面置換的次數(shù)，從而提高系統(tǒng)性能。但是，該算法需要維護(hù)一個頁面使用時間列表，這會增加內(nèi)存開銷。時鐘置換算法11.指針循環(huán)時鐘指針指向當(dāng)前要被替換的頁面。22.引用位每個頁面都有一個引用位，表示該頁面是否被訪問過。33.替換邏輯指針指向的頁面如果引用位為1，則將其設(shè)置為0，指針繼續(xù)移動；否則，替換該頁面，指針指向下一個頁面。44.優(yōu)點實現(xiàn)簡單，效率較高。工作集理論程序局部性程序在執(zhí)行過程中，經(jīng)常訪問的內(nèi)存區(qū)域往往集中在較小的區(qū)域內(nèi)。工作集大小程序在一段時間內(nèi)頻繁訪問的內(nèi)存頁面集合被稱為工作集，它反映了程序?qū)?nèi)存的需求量。工作集理論通過分析程序的工作集，可以優(yōu)化內(nèi)存管理策略，提高內(nèi)存利用率，降低頁面置換頻率。內(nèi)存管理應(yīng)用工作集理論被用于各種內(nèi)存管理算法，例如頁面置換算法，以及虛擬內(nèi)存管