3物理内存管理：连续内存管理

5.1计算机体系结构和内存层次

计算机体系结构

内存层次

操作系统的内存管理

存储管理要达到效果是抽象，把线性的物理地址编号转变成抽象的逻辑地址空间

■抽象

逻辑地址空间

■保护（每一个进程只能访问自己的空间）

独立地址空间

■共享（内核部分的内存是共享的）

访问相同内存

■虚拟化（比实际内存大）

更大的地址空间

操作系统的内存管理方式

■操作系统中采用的内存管理方式

重定位(relocation)

分段(segmentation)（不连续，把代码 数据和堆栈分成三块)

分页(paging)(分成基本的单位)

虚拟存储(virtual memory)(· 目前多数系统(如Linux)采用按需页式虚拟存储)

■实现高度依赖硬件

与计算机存储架构紧耦合

MMU (内存管理单元):处理CPU存储访问请求的硬件

5.2地址空间和地址生成

地址空间定义

■物理地址空间— 硬件支持的地址空间

起始地址0，直到MAXsys

■逻辑地址空间— 在CPU运行的进程看到的地址

起始地址0， 直到MAXprog

逻辑地址生成

地址生成时机和限制

■编译时（例：功能手机）

假设起始地址已知

如果起始地址改变，必须重新编译

■加载时（例：智能手机）

如编译时起始位置未知，编译器需生成可重定位的代码(relocatable code)

加载时，生成绝对地址

■执行时

执行时代码可移动

需地址转换(映射)硬件支持

注：前面两种情况的，不但要求在地址空间是连续的，同时运行起来之后不能在改变他的地址，从灵活性的角度来说执行时生成地址是最好的，但是前面两种简单

地址生成过程

■CPU（生成逻辑地址）

ALU：需要逻辑地址的内存内容

MMU：进行逻辑地址和物理地址的转换

CPU控制逻辑：给总线发送物理地址请求

■内存

发送物理地址的内容给CPU

或接收CPU数据到物理地址

■操作系统

建立逻辑地址LA和物理地址PA的映射

地址检查

5.3连续内存分配

连续内存分配和内存碎片

■连续内存分配

给进程分配一块不小于指定大小的连续的物理内存区域

■内存碎片

空闲内存不能被利用

外部碎片（始终是个问题）

分配单元之间的未被使用内存

■内部碎片

分配单元内部的未被使用内存

取决于分配单元大小是否要取整

例，要分配510字节，因为要取整，分配512,2个字节就是内存碎片

连续内存分配：动态分区分配

■动态分区分配

当程序被加载执行时，分配一个进程指定大小可变的分区(块、内存块)

分区的地址是连续的

■操作系统需要维护的数据结构

所有进程的已分配分区

空闲分区(Empty-blocks)

■动态分区分配策略

最先匹配(First-fit)碰到哪一个就是那个

最佳匹配(Best-fit)找一个要求大的最少的那个

最差匹配(Worst-fit)每次用的时候用的是最大的

最先匹配(First Fit Allocation)策略

思路：

分配n个字节，使用第一个可用的空间比n大的空闲块。

示例：

分配400字节，使用第一个1KB的空闲块。

■ 原理&实现

空闲分区列表按地址顺序排序

分配过程时，搜索一个合适的分区

释放分区时，检查是否可与临近的空闲分区合并

■ 优点

简单

在高地址空间有大块的空闲分区

■ 缺点

外部碎片

分配大块时较慢

最佳匹配(Best Fit Allocation)策略

思路：

分配n字节分区时， 查找并使用不小于n的最小空闲分区

示例：

分配400字节， 使用第3个空闲块(最小)

■ 原理&实现

空闲分区列表按照大小排序

分配时，查找一个合适的分区

释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）

■ 优点

简单

大部分分配的尺寸较小时，效果很好

· 可避免大的空闲分区被拆分

· 可减小外部碎片的大小

· 相对简单

■ 缺点

外部碎片

释放分区较慢

容易产生很多无用的小碎片

最差匹配(Worst Fit Allocation)策略

思路：

分配n字节，使用尺寸不小于n的最大空闲分区

示例：

分配400字节，使用第2个空闲块（最大）

■ 原理&实现

空闲分区列表按照大小排序

分配时，选最大的分区

释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并，并调整空闲分区列表顺序

■ 优点

简单

中等大小的分配较多时，效果最好

避免出现太多的小碎片

■ 缺点

外部碎片

释放分区较慢

容易破坏大的空闲分区，因此后续难以分配大的分区

5.4碎片整理

碎片整理：紧凑(compaction)

■ 碎片整理

通过调整进程占用的分区位置来减少或避免分区碎片

■ 碎片紧凑

通过移动分配给进程的内存分区，以合并外部碎片

碎片紧凑的条件

· 所有的应用程序可动态重定位

需要解决的问题

· 什么时候移动?处于等待状态进程

· 开销

碎片整理：分区对换(Swapping in/out)

通过抢占并回收处于等待状态进程的分区，以增大可用内存空间

内存不够时，有新的进程产生，就把处于等待状态的进程放到外存中，这样可以使更多的进程在系统里交替运行。

5.5伙伴系统

比较好地折中了分配和回收过程当中这种合并和分配块的位置、碎片的问题

伙伴系统(Buddy System)

■ 整个可分配的分区大小2U（就直接划一半与你要求分配的大小做比较）

■ 需要的分区大小为2U-1 < s≤2U时，把整个块分配给该进程；

如s≤2i－1，将大小为2i的当前空闲分区划分成两个大小为2i－1的空闲分区

重复划分过程，直到2i-1 < s≤2i，并把一个空闲分区分配给该进程

伙伴系统的实现

■ 数据结构

空闲块按大小和起始地址组织成二维数组

初始状态：只有一个大小为2U的空闲块

■ 分配过程（分配的块大小是比要求的大，比其两倍小）

由小到大在空闲块数组中找最小的可用空闲块

如空闲块过大，对可用空闲块进行二等分，直到得到合适的可用空闲块

■ 释放过程

把释放的块放入空闲块数组

合并满足合并条件的空闲块

■ 合并条件

大小相同2i

地址相邻

低地址空闲块起始地址为2i＋1的位数

伙伴系统中的内存分配