操作系统概念总结笔记——第八章 内存管理

本章目标：

1、详细讨论内存硬件的组织方法;

2、讨论各种内存管理技术，如分段、分页;

8.1 背景介绍

高速缓存： 由于CPU对寄存器的访问速率快于对内存的访问速率，导致在实际运行中，没有数据完成正在进行的操作，CPU通常需要暂停（stall）， 由于内存的频繁访问，这种暂停是难以接受的，所以增加高速缓存，用于协调速度的差异。

程序空间： 要确保每个进程都有独立的内存空间，因此需要确定进程可访问的合法内存访问，这里使用两个寄存器来实现着这种保护：基地址寄存器（最小的合法物理内存地址）、界限地址寄存器（地址范围）。

地址绑定：  编译器通常需要将源程序中的地址绑定到可重定位的地址， 链接程序或加载程序再将这些可重定位的地址绑定成绝对地址，每次绑定都是从一个地址空间到另一个地址空间的映射。

通常，将指令和数据绑定到内存地址有以下几种情况：

编译时绑定：事先知道程序在内存空间的位置，就可以在编译时生成绝对代码，从该位置开始并向后扩展，如果后来开始地址发生变化，那么就必须重新编译代码。不同的人安排程序的位置可能冲突。

加载时绑定：如果在编译时不知道程序在内存空间的位置，那么编译时必须生成可重定位代码（可以使地址平移的代码称为可重定位代码，它通过加载过程中系统给定的物理地址，生成程序的物理地址），延迟到加载时绑定程序，称为静态地址重定位。

运行时绑定：如果进程在执行时可以从一个内存段转移到另一个内存段，那么绑定要延迟到执行时才进行，在每次CPU访问内存时，进行地址的转换，需要借助某种物理设备，称为动态地址重定位。

静态地址重定位：不需要硬件支持，不能移动代码，不能处理非连续代码；

动态地址重定位：需要重定位寄存器，重定位寄存器使用如下：

逻辑地址：CPU所产生的地址；

物理地址：内存单元使用的地址；

8.2 交换

交换（swap）： 进程暂时从内存中交换到备份存储上，当需要再次执行时调回内存； 这种交换策略被用于基于优先级的调度算法，如果有一个更高优先级的进程需要服务，内存管理器可以交换出低优先级的进程，以便于执行更高优先级的进程，当高优先级进程执行完毕后，低优先级进程可以交换回内存以便继续执行；

这种交换有时被称为滚出（roll out），滚入（roll in）；

通常，若程序使用编译时绑定或加载时绑定，那么交换后必须返回原来的地址空间； 若程序使用运行时绑定，则交换后可以移到不同的空间；

交换需要备份存储，备份存储通常使用快速磁盘，必须足够大以便容纳所有用户的内存镜像副本，也必须提供对这些内存镜像的直接访问； 假设用户进程的大小为10MB，备份存储是传输速度为40MBps，那么10MB进程传入或传出的速度为250ms，假定平均寻址时间是8ms，那么交换时间为258ms，由于涉及换入和换出，总的交换时间为516ms；

8.3 连续内存分配

内存映射与保护：采用重定位寄存器和界限地址寄存器，进行保护；重地址寄存器含有最小的物理地址值，界限地址寄存器含有逻辑地址的范围值；  进行映射时，内存管理单元要求逻辑地址必须小于界限地址寄存器的值，并把逻辑地址与重地址寄存器的值相加，映射出物理地址的值；

多分区方法： 最简单的内存分配方法是将内存分为多个固定大小的分区（partition），每个分区容纳一个进程，多道程序的程度也会受到分区数的限制，当一个分区空闲时，就从输入队列中选择一个进程调入空闲分区。

动态存储分配的常用方法：

首次适应（first-fit）：分配第一个足够大的内存块给进程使用，一旦找到足够大的内存块，就立即停止扫描；

最佳适应（best-fit）： 分配最小的足够大的内存块，除非列表按大小排列，那么要求必须扫描整个列表；

最差适应（worst-fit）： 分配最大的内存块，除非列表按大小排列，那么要求必须扫描整个列表；

比较这三种方法，空间利用率方面：首次适应和最佳适应均好于最差适应； 执行时间方面：首次适应优于最佳适应优于最差适应， 但是，首次适应和最佳适应都会产生外部碎片问题；

外部碎片：还没有分配出去，但是由于太小而无法使用的内存；

内部碎片：已经分配给进程，但是无法使用的内存；

在首次适应和最佳适应的执行过程中，随着进程的不断装入和移出，就会出现外部碎片问题；

紧缩（compaction）：紧缩是一种解决外部碎片的问题，通过移动内存内容，使得所有空闲的内存空间整合到一起； 紧缩仅在绑定方式为运行时绑定才可以运行；若使用编译时绑定和装入时绑定，那么就不能对进程进行移动； 最简单的紧缩方法是将所有的进程移到内存的一端，而将所有空闲内存块移到内存的另一端，这种方案开销较大；

另一种解决外部碎片的方法是允许物理地址空间非连续，使用分页、分段技术；

8.4 分页

实现分页的基本方法： 将物理内存分为固定大小的块，称为帧（frame），将逻辑内存分为同样大小的块，称为页（page），当需要执行进程时，将进程页从备份存储调入到可用的内存帧中； 帧的大小和页的大小相同；

地址生成： CPU产生的每个地址分为两个部分：页号（p），页偏移（d）， 页号作为页表中的索引，从页表中提取出每页所在物理地址的基地址，这个基地址和之前的页偏移组合，形成物理地址；  页的大小通常为2的幂，由页的偏移量决定，分页操作如下：

分页也是一种动态重定位，每个逻辑地址由分页硬件绑定为一定的物理地址； 采用分页技术不会产生外部碎片，每个帧都可以分配给需要它的进程，但会产生内部碎片：分配是以帧为单位进行的，如果进程所要求的内存并不是帧的整数倍，那么最后一个帧可能用不完，这就会产生内部碎片；

当进程需要执行时，首先检测该进程的大小，进程的每页都需要一帧，如果进程需要n页，那么内存中应该有n个帧，如果有，就可以分配给新进程；

帧表： 操作系统在管理物理内存的过程中，需要知道哪些帧已被占用，哪些帧可用，总共有多少帧，等等； 这些信息被保存在被称为帧表的数据结构中；

保护： 在分页环境下，内存保护是通过与每一帧相关联的保护位来实现的，这些保护位存在于页表中，可以用一个位来定义一个页是可读还是可写；用另一个位作为有效-无效位，当该位有效，表示相关的页在进程的逻辑地址空间内，无效，则表示不在逻辑地址空间内；

共享：分页的优点在于可以共享公共代码，实现方式是在每个进程的页表中添加共享的数据页，如图，进程P1,P2,P3共享了ed1，ed2，ed3；

页表的常用技术： 层次页表、哈希页表、反向页表；

层次页表：现代计算机系统支持很大的逻辑地址空间，导致页表本身可以非常大，显然不利于在内存中连续分配一个大的页表，一个简单的方法是将页表划分为更小的部分； 一种方法是两级分页算法:

哈希页表： 处理超过32位地址空间的常用方法是使用哈希页表，以虚拟页码作为哈希值，然后对域内元素进行匹配，得到相应的帧号，形成物理地址:

反向页表:

8.5 分段

分段是支持用户视角的内存管理方案，类似于在写程序时，人们会认为程序是由主程序加上方法、过程、函数所构成，分段把逻辑地址空间视作一组段构成的，每个段都有名称和长度，用户通过段名称和段内偏移指定地址（在分页中，用户只提供一个地址，该地址通过硬件被划分为页码和偏移量）；

例如，C编译器可能创建如下段：

    1、代码

    2、全局变量

    3、堆

    4、每个线程的栈

    5、标准的C库函数

段表： 用于将二维的用户定义地址映射为一维物理地址，段表的每个条目都有段基地址和段界限，段基地址存放该段在内存的开始物理地址，而段界限存放该段的长度，段表的硬件实现如下：

分段实例：

以段0为例，段基地址和段界限表示它的起始地址是1400，范围是1000，所以实际的物理内存范围是1400-2400；