【操作系统】存储管理

存储管理的基本概念

• 逻辑地址：用户地址，从零开始编号
  • 一维逻辑地址：(地址)
  • 二维逻辑地址：(段号：段内地址)
• 主存储器的复用方式
  • 按分区：主存划分为多个固定/可变分区，一个程序占一个分区
  • 按页架：主存划分为多个固定页架，一个程序占多个页架
• 存储管理的模式
  • 单连续：一维逻辑地址程序，占一个固定/可变分区
  • 段 式：二维逻辑地址程序，占多个可变分区
  • 页 式：一维逻辑地址程序，占多个页架
  • 段页式：二维逻辑地址程序，占多个页架
• 地址转换：逻辑地址 --> 物理地址
  • 静态重定位：程序装入内存时转换（早期 OS）
  • 动态重定位：CPU 执行时转换，效率考虑需要硬件帮助
• 虚拟存储器
  • 由于程序的局部性顺序性等，可以考虑只将部分程序调入主存，其他的随用随调
  • 达到了面对程序员主存扩容的目的

单连续分区存储管理

• 单用户连续分区管理：主存区划分为系统区和用户区，采用静态重定位进行地址转换，一般适用于单用户单任务操作系统（DOS）
• 固定分区管理：一个程序占一个分区，有主存分配表，容易产生内零头
• 可变分区管理：按进程内存需求动态分配内存空间，容易产生外零头

页式存储管理

• 概念：
  • 主存分页架，程序分页。
  • 不同程序页可放在不同主存页架中，不需要连续
  • 页和页架关系由页表维护
  • 用位示图表示主存分配与去配，用进程页表维护进程逻辑完整性
• 地址：
  • 逻辑地址：页号 + 单元号
  • 物理地址：页架号 + 单元号
• 快表：
  • 利用 Cache 存放部分页表
  • 同 Cache 缓存内存数据一样，也是相联存储器技术，并且有淘汰策略，具体见《重学计算机 -- 计算机组成原理》
• 页式虚拟存储
  • 页表：标识位 + 主存块号 + 辅存地址
  • 实现：
    • 查页表，若页在内存，则生成绝对地址
    • 若不在内存，发起缺页中断
    • OS 响应缺页中断，若内存有空闲页架，则从辅存中调入页。更新页表快表
    • 若无空闲页架，先淘汰页，再调入
• 页面调度算法：
  • 同 Cache 和内存的调度策略，具体参考《重学计算机 -- 计算机组成原理》

其他

• 段式存储管理：基本不用，略
• 段页式存储管理：基本不用，略
• 内存管理单元 MMU：
  • 作用：管理虚拟存储器的硬件控制线路，把虚拟地址映射为物理地址，并提供内存保护，必要时淘汰页面
  • 实现：用一种数据结构 反置页表 IPT
    

PS：许多年以前，当人们还在使用 DOS 或是更古老的操作系统的时候，计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算，相应的，当时的程序规模也不大，所以内存容量虽然小，但还是可以容纳当时的程序。但随着图形界面的兴起还有用户需求的不断增大，应用程序的规模也随之膨胀起来，终于一个难题在程序员的面前，那就是应用程序太大以至于内存容纳不下该程序，通常解决的办法是把程序分割成许多称为覆盖块（overlay）的片段。覆盖块 0 首先运行，结束时他将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的，但是必须先由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作，而且相当枯燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器(virtual memory).虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个 16MB 的程序和一个内存只有 4MB 的机器，操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪 4M 的内容保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可以把这个 16M 的程序运行在一个只具有 4M 内存机器上了。而这个 16M 的程序在运行前不必由程序员进行分割。