計算機操作系統(tǒng) 第四章 存儲器管理.ppt

1、第4章內(nèi)存管理(1)，第4章內(nèi)存管理，簡介內(nèi)存層次4.1程序加載和鏈接4.2連續(xù)分配模式，第4章內(nèi)存管理簡介內(nèi)存層次，簡介1內(nèi)存層次，1。記憶層次在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，記憶是信息處理的來源和目的地，占據(jù)著重要的位置。然而，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，任何一種存儲設(shè)備都不能同時滿足用戶在速度和容量方面的需求。事實上，它們構(gòu)成了速度快、容量小的存儲設(shè)備層次結(jié)構(gòu)。記憶的層次結(jié)構(gòu)，導(dǎo)論2。各種存儲器，緩存：小，非?？欤嘿F，易失性內(nèi)存內(nèi)存內(nèi)存：幾兆，中速，中等價格，易失性磁盤：幾百兆或幾千兆，低速，低價，不容易改變。這些內(nèi)存的使用是由操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)的，引言3內(nèi)存管理的目的，1)主內(nèi)存的分配和管理：當(dāng)它不需要時，可

2、以及時回收給其他用戶使用。2)提高主存的利用率：不僅多個程序可以動態(tài)共享主存，還可以更好地共享主存中某個區(qū)域的信息。介紹3存儲管理的目的(續(xù))3“擴展”主內(nèi)存容量：為用戶提供比主內(nèi)存物理空間大得多的地址空間，使用戶感覺他們的工作是在這么大的內(nèi)存中運行的。4)存儲保護：確保多個程序在其指定的存儲區(qū)域內(nèi)運行，不會相互干擾，并防止一個程序破壞其他作業(yè)或系統(tǒng)文件的信息。導(dǎo)言4基本概念1。位置(存儲分配):為特定程序和數(shù)據(jù)分配存儲單元或區(qū)域。2.映射：將邏輯地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)物理地址的過程。3.隔離：根據(jù)訪問權(quán)限將合法區(qū)域與非法區(qū)域分開，實現(xiàn)存儲保護。介紹4基本概念由命名空間程序員定義的標(biāo)識符程序符號集由沒

3、有地址概念的程序員定義。導(dǎo)言4基本概念5。地址空間程序用來訪問信息的一組地址單元。這組邏輯(相對)地址由編譯器6生成。存儲空間主存儲器中的一組物理單元。這組物理(絕對)地址是由匯編程序生成的。1200，物理地址空間，加載A數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)1 3456，源程序，加載A 200 3456，0，100，200，編譯連接，邏輯地址空間，BA=1000，圖41名稱空間，地址空間，存儲空間，簡介4基本概念，7。邏輯地址和物理地址邏輯地址虛擬地址):用戶程序被匯編或編譯以形成目標(biāo)代碼，目標(biāo)代碼通常采用相對地址的形式，第一個地址為0，其它指令中的地址相對于第一個地址被尋址。你不能用邏輯地址來讀取內(nèi)存中的信息。物理地

4、址(絕對地址，真實地址)內(nèi)存中存儲單元的地址可以直接尋址。8。內(nèi)存共享：兩個或多個進程共享內(nèi)存中的同一區(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，要求代碼是純代碼數(shù)據(jù)共享。引言4基本概念，引言4基本概念，9。存儲保護和安全保護目的：為多個程序共享內(nèi)存提供保證，使內(nèi)存中的每個程序只能訪問自己的區(qū)域，從而避免程序之間的相互干擾，尤其是當(dāng)一個程序發(fā)生錯誤時，不會影響其他程序的運行。通常，保護功能由硬件完成，并由軟件輔助。(特權(quán)指令不能完成存儲保護。)，簡介4基本概念，1)存儲保護保護系統(tǒng)程序區(qū)域免受用戶(有意或無意)的入侵，并且不允許用戶程序讀寫不屬于其自

5、己的地址空間(系統(tǒng)區(qū)域地址空間、其他用戶程序的地址空間)的數(shù)據(jù)，簡介4基本概念，2)保護進程-為了防止地址交叉，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生成的地址在其地址空間之外，就會發(fā)生這種情況。也就是說，當(dāng)程序想要訪問某個存儲單元時，硬件檢查它是否被允許，如果被允許，它將執(zhí)行；否則，將產(chǎn)生地址越界中斷，操作系統(tǒng)將相應(yīng)地處理它。導(dǎo)言4基本概念10。內(nèi)存“擴展”是通過虛擬存儲技術(shù)實現(xiàn)的。用戶在編程時不應(yīng)該受到內(nèi)存容量的限制，所以應(yīng)該采用一些技術(shù)來“擴展”內(nèi)存容量，這樣用戶可以獲得比實際內(nèi)存容量多得多的內(nèi)存空間。具體實現(xiàn)是在硬件的支持下，軟件和硬件相互配合，將內(nèi)存和外部內(nèi)存結(jié)合起來統(tǒng)

6、一使用。這樣，存儲器被擴展，使得用戶在編程時不受存儲器的限制。第4章：內(nèi)存管理4.1程序加載和鏈接，4.1程序加載和鏈接，圖4-2-1用戶程序的處理步驟，4.1.1程序加載，1。絕對加載模式，程序中使用的絕對地址可以在編譯或匯編時給出，也可以由程序員直接給出。然而，當(dāng)絕對地址由程序員直接給出時，它不僅要求程序員熟悉存儲器的使用，而且一旦程序或數(shù)據(jù)被修改，就改變程序中的所有地址。因此，通常最好在程序中使用符號地址，然后在編譯或匯編時將這些符號地址轉(zhuǎn)換成絕對地址。圖4-2-2作業(yè)加載到內(nèi)存2中的情況?？芍囟ㄎ患虞d模式4.1.1程序加載和動態(tài)運行時加載器不會在將加載的模塊加載到內(nèi)存后立即將加載模塊中

7、的相對地址轉(zhuǎn)換為絕對地址，而是會推遲地址轉(zhuǎn)換，直到程序真正被執(zhí)行。因此，加載內(nèi)存后的所有地址仍然是相對地址。4.1.1程序加載，3 .動態(tài)運行時加載模式，4.2.2程序鏈接，圖4-2-3程序鏈接圖，1 .靜態(tài)鏈接模式，2 .加載時動態(tài)鏈接，具有以下優(yōu)點：易于修改和更新。(2)共享目標(biāo)模塊方便。4.2.2程序鏈接，3。運行時動態(tài)鏈接，這意味著到某些模塊的鏈接被延遲到執(zhí)行時，也就是說，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被調(diào)用的模塊沒有被加載到內(nèi)存中時，操作系統(tǒng)將立即找到該模塊并將其加載到內(nèi)存中，然后將其鏈接到調(diào)用方模塊。任何未在執(zhí)行過程中使用的目標(biāo)模塊都不會被轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中并鏈接到加載模塊，這不僅可以加快程序的加載過程，還可以

8、節(jié)省大量的內(nèi)存空間。4.2.2程序鏈接、4.2.3重定位，將作業(yè)地址空間中使用的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存空間中的物理地址的過程。也稱為地址映射。如下圖所示，作業(yè)1被重新定位，地址集被映射到以1000作為起始地址的存儲器，其被用作作業(yè)1的存儲空間。重定位類型，1)靜態(tài)重定位：當(dāng)用戶程序被加載到內(nèi)存中時，從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換將被實現(xiàn)一次，并且以后將不執(zhí)行任何轉(zhuǎn)換(通常在加載到內(nèi)存中時由軟件完成)。作業(yè)一將在執(zhí)行前被索引一次，直到作業(yè)完成從內(nèi)存中退出。2)動態(tài)重定位，4.2.3重定位，2)動態(tài)重定位，當(dāng)程序運行以訪問數(shù)據(jù)時，執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換。由地址轉(zhuǎn)換機制執(zhí)行的地址轉(zhuǎn)換需要硬件中的重定位寄存器的支持。4

9、.2.3搬遷，2。實現(xiàn)動態(tài)重定位，重定位寄存器：當(dāng)執(zhí)行一條指令獲取操作數(shù)時，需要將指令給出的有效地址(500)和重定位寄存器中的內(nèi)容(1000)相加，得到訪問地址(1500)，從而實現(xiàn)地址的動態(tài)修改。映射模式：頁面表用于描述虛擬頁面和真實頁面之間的對應(yīng)關(guān)系。4.2.3重新定位，第4章內(nèi)存管理4.2連續(xù)分配內(nèi)存管理，4.2.1單用戶內(nèi)存管理。在單通道環(huán)境中，無論是單用戶系統(tǒng)還是單通道批處理系統(tǒng)，當(dāng)執(zhí)行一個進程(作業(yè))時，除了系統(tǒng)占用的一部分主內(nèi)存外，其余所有主內(nèi)存區(qū)域都被它占用。主存可以分為三個部分：系統(tǒng)區(qū)、用戶區(qū)和空閑區(qū)。用戶占用區(qū)域是一個連續(xù)的存儲區(qū)域，因此也稱為單個連續(xù)存儲管理。在單用戶系

10、統(tǒng)中，一段時間內(nèi)存中只存在一個進程，因此內(nèi)存分配管理非常簡單，內(nèi)存利用率低內(nèi)存分為兩個區(qū)域，一個用于操作系統(tǒng)，另一個用于用戶。圖4-3-1是單個連續(xù)區(qū)域存儲分配示意圖。4.2.1單用戶存儲管理、工作流和單個連續(xù)區(qū)域分配采用靜態(tài)分配和靜態(tài)重定位，即一個作業(yè)或進程一旦進入主內(nèi)存，在完成運行之前不能釋放主內(nèi)存。主存分配和恢復(fù)方法如下圖所示。加載器檢查其絕對地址是否超出，從而達到保護系統(tǒng)的目的。4.2.1單用戶存儲管理，工作流(續(xù))，4.2.1單用戶存儲管理，單用戶系統(tǒng)缺點，不支持多渠道。主存利用率不高。程序的運行受到主內(nèi)存容量的限制。4.2.1單用戶存儲管理、存儲保護、自動地址修改例如，內(nèi)存的地址空

11、間為，操作系統(tǒng)位于低位地址端。對于這樣的系統(tǒng)，我們給用戶一個位地址空間，并為每次內(nèi)存訪問自動添加它。如果操作系統(tǒng)占據(jù)了高地址端，那么我們就可以訪問每個存儲，但實際上，它的地址是()。從而實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的保護。4.2.1單用戶存儲管理、存儲保護(續(xù))、頁面和頁面尋址通過在每個用戶生成的地址的左端拼接一位來實現(xiàn)區(qū)域和用戶區(qū)域。在頁面上設(shè)置操作系統(tǒng)，并將用戶作業(yè)放在頁面上。邊界寄存器通過添加邊界寄存器來劃分區(qū)域和用戶區(qū)域。4.2.1單用戶存儲管理、4.2.2固定分區(qū)分配、分區(qū)管理是滿足多程序要求的最簡單的存儲管理方案。它的基本思想是將內(nèi)存分成幾個連續(xù)的區(qū)域，這些區(qū)域稱為分區(qū)。每個分區(qū)只能存儲一個程序

12、，并且該程序只能在其所在的分區(qū)中運行。事先，可分配的主存空間被分成幾個連續(xù)的區(qū)域，稱為分區(qū)。如圖所示，每個分區(qū)的大小可以相同也可以不同。但是，分區(qū)大小是固定的，每個分區(qū)只能容納一個作業(yè)存儲分配：如果有空閑區(qū)域，它將被分配給進程，4.2.2固定分區(qū)分配，1。固定分區(qū)、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)、圖4-3-2固定分區(qū)圖，4.2.2固定分區(qū)分配，圖4-3-3固定分區(qū)使用表，通過設(shè)置內(nèi)存分配表，內(nèi)存分配很簡單。缺點：內(nèi)存利用率低。內(nèi)存分配管理，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，基本思想：內(nèi)存不是預(yù)分區(qū)的。如果有足夠的空間，根據(jù)需要將分區(qū)的

13、一部分分配給進程；否則，讓它等待主內(nèi)存空間內(nèi)存管理：設(shè)置內(nèi)存空閑塊表記錄空閑區(qū)內(nèi)存分配的起始地址和長度：動態(tài)分配內(nèi)存回收：當(dāng)一個塊被返回時，前后空間合并，內(nèi)存空閑塊表被修改，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，分區(qū)分配表(見圖4-3-5) (2)空閑分區(qū)鏈，圖4-3-4空閑鏈結(jié)構(gòu)，1，0k，15k，38k，48k，68k，80k， 圖4-3-5、0k、15k、38k、48k、68k、80k 1)分配內(nèi)存，圖4-3-6內(nèi)存分配過程，2。 分區(qū)分配操作，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，圖4-3-7內(nèi)存回收，2)內(nèi)存回收，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，為了實現(xiàn)動態(tài)分配，系統(tǒng)建立空閑分區(qū)鏈表：每個空閑塊前后兩個單元，其中有必要

14、的說明信息，系統(tǒng)只需要設(shè)置一個鏈頭指針指向第一個空閑塊。分配程序可以根據(jù)空閑塊鏈表找到合適的空閑塊進行分配。(如下圖所示)，3?？臻e分區(qū)鏈表，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配。根據(jù)連接空閑塊的不同方式，有四種算法：最佳適應(yīng)法、最差適應(yīng)法、第一適應(yīng)法、循環(huán)第一適應(yīng)法、4。分配算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配。接收內(nèi)存申請時，在空閑塊列表中找到不小于請求的最小空塊，并在為作業(yè)選擇分區(qū)時進行分配功能：滿足最小空間要求，1)最佳自適應(yīng)算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，空閑，有一個作業(yè)J，其大小為12KB，需要轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，最佳自適應(yīng)算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，操作系統(tǒng)，8K空閑區(qū)域，J (12 K)，B(.有一個大小

15、為12KB的作業(yè)j，現(xiàn)在需要將其轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中。最佳自適應(yīng)算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配。當(dāng)接收內(nèi)存應(yīng)用程序時，它會在空閑塊表中找到一個不小于分配請求的最大空塊。與最佳適應(yīng)方法相反，當(dāng)作業(yè)選擇存儲塊時，它總是尋找最大的空白區(qū)域。功能：當(dāng)備用塊在分段后仍然是一個大的空塊時，2)最差自適應(yīng)算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，空閑，有一個大小為12KB的作業(yè)J，現(xiàn)在需要將其轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，最差自適應(yīng)算法，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，空閑，4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，3)首次適配方法：為作業(yè)選擇分區(qū)時，始終按照地址從高到低進行搜索，只要找到可以容納該作業(yè)的空白塊，就將該空白塊分配給該作業(yè)。4)循環(huán)第一自適應(yīng)方法類似于第一

16、自適應(yīng)方法。分區(qū)時，它總是從上次搜索結(jié)束的地方開始，并找到足夠大的空白區(qū)域分配。4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，空閑，有一個大小為12KB的作業(yè)J，需要將其傳輸?shù)絻?nèi)存中。系統(tǒng)回收分區(qū)的主要步驟如下：1 .檢查回收的分區(qū)是否與空閑區(qū)域相鄰，如果相鄰，則將其合并；2與修改描述表的釋放區(qū)域相鄰的分區(qū)可以是：釋放區(qū)域與另一進程的分配區(qū)域相鄰，或者是自由區(qū)域。第一種適應(yīng)方法解釋了系統(tǒng)恢復(fù)進程占用區(qū)域的以下四種可能情況。讓過程的釋放區(qū)域為R，與R相鄰的兩個自由區(qū)域分別為F1和F2。r的第一個地址發(fā)送到LOC，r的最后一個地址發(fā)送到LOC1，r的大小發(fā)送到SIZE。4.2.3動態(tài)分區(qū)分配，回收存儲器：(a)如果釋放

17、區(qū)域r與F1相鄰，即其低地址部分與自由區(qū)域相鄰。R和F1被合并，并且合并的自由區(qū)域仍然被記錄為F1。如何判斷釋放區(qū)域r是否與自由區(qū)域相鄰？只需從鏈的開始處查找：如果F1的第一個地址F1的大小=r的第一個地址，這意味著r與F1相鄰。只要F1的大小=F1的LOC大小被修改，其他參數(shù)及其在鏈中的位置保持不變。如果釋放區(qū)域R鄰近F2，即，其高地址部分鄰近自由區(qū)域。R和F2被合并，并且合并的自由區(qū)域仍然被記錄為F2。如果鎖定大小=F2的第一個地址，則意味著R與F2相鄰。F2的第一個地址=LOC，F(xiàn)2的大小=F2的大小需要修改。(c)如果釋放區(qū)域r的高和低地址部分都與一個空閑區(qū)域相鄰。三個分區(qū)應(yīng)該合并成一個大的自由區(qū)域，表示為F1。首先，將R與F2結(jié)合，并將其