内存管理(操作系统笔记四)

内存管理(操作系统笔记四)

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内存的基本概念

内存 可存放数据。程序执行之前 必须先放到内存中才能被CPU处理 ——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾。

内存中就是一系列的存储单元，如果计算机 “按字节存储” ，则每个存储单元的大小为一个字节，即 1B ， 8个二进制位 。如果计算机是 “按字编址” ，则每个存储单元的大小根据每个 字长 来确定。

补充：

2¹⁰ = 1K (千) 2²⁰ = 1M (兆，百万) 2³⁰ = 1G(十亿，千兆)

覆盖与交换

连续分配管理方式

连续分配管理方法 ：为一个用户程序分配一个 连续 的内存空间。

以上的 动态分区分配 中，当内存中有多个足够大的空闲块时，操作系统必须确定分配哪个内存块给进程使用，这就是 动态分区的分配策略 ，有以下这些算法。

非连续分配管理方式

非连续分配管理方式 根据分区大小是否固定，分为 分页存储管理方式 和 分段存储管理方式 。

基本分页存储管理方式

分页存储一些词的表示，如下图

注意 ：页号 是不需要占存储空间的，就像顺序表的索引页不需要占用存储空间， 块号 是需要占用存储空间的，块号 只表示 页框号 ，并不是 内存块的起始地址 ， 块号 的大小需要根据 有多少个页框 来确定。如下举个例子

物理内存大小4GB，页面大小为4KB，求每个页表项至少应该为多少个字节？

页框大小=页面大小=4KB= 2^12 B

4GB内存会被分为 2³² / 2¹² = 2²⁰ 个页框

页框号范围 0 ~ 2²⁰ - 1 ，至少要 20bit 来表示，所以每个页表项至少要 3B 来存储 (3*8=24bit)

基本分页存储管理 中，从 逻辑地址 转换到 内存中的物理地址 ，地址变换是基于 页表 实现的，这就是 地址变换机构 。

• 分页管理 存在两个基本问题：
  • 每次访存操作都需要进行逻辑地址到物理地址的转换， 地址转换过程必须足够块，否则访存速度会降低
  • 每个进程引入 页表 ，用于存储映射机制， 页表不能太大，否则内存利用率会降低

以上 地址变换 过程中，若 页表 全部放在内存中，则存取一个数据或一条指令 至少需要访问两次内存 ： 第一次访问页表 ，确定存取的数据或指令的物理地址； 第二次是根据该地址存取数据或指令 。显然这种方法比通常执行指令的速度慢了一半。

地址变换机构中增设一个具有并行查找能力的高速缓冲存储器——快表，由称相联存储器（TLB）。

当一个进程的页表需要耗费巨大的连续内存来存储时，这不切合实际。所以，为了压缩页表，我们可得到 二级分页 。

建立多级页表的目的在于建立索引，以便于不用浪费主存空间去存储无用的页表项，也不用盲目的顺序式的查找页表项

基本分段存储管理方式

分页 VS 分段

段页式管理方式

虚拟内存管理

传统存储管理方式 的两个特征： 1. 一次性 ：作业必须一次性全部装入内存后，才能开始运行。（这可能导致两种情况：作业太大而不能全部装入内存时使作业无法运行；当大量作业要求运行时由于内存不足以容纳所有作业，只能使少数作业先运行，导致 多道程序度的下降 ） 2. 驻留性 ：作业数据在整个运行期间都会常驻内存。

• 局部性原理 分两种：
  • 时间局部性 ：现在访问的指令、数据在不久后很可能会被再次访问
  • 空间局部性 ：现在访问的内存单元周围的内存空间，很可能在不久后被访问

高速缓存技术 ：使用频繁的数据放到更高速的存储器中（快表、页高速缓存及虚拟内存技术从广义上讲，都属于高速缓存技术）（依赖原理为 局部性原理 ）

请求分页管理方式

请求分页存储管理 与 基本分页存储管理 的主要区别：在程序执行的过程中，当所 访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所有信息从外存调入内存 ，然后继续执行程序；若空间不够，由操作系统负责 将内存中暂时用不到的信息换出到外存 。

• 请求页表项 中增加了4个字段：
  • 状态位P ：用于指示该页是否已经被调入内存，供程序访问时参考。
  • 访问字段A ：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问，供置换算法换出页面时参考。
  • 修改位M ：标识该页在调入内存后是否被修改过。
  • 外存地址 ：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。

更具体的地址变换流程如下图

• 只有"写指令"才需要修改"修改位" 。并且，一般来说只需要需该快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表，这样可以减少访存次数。
• 和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留CPU现场。
• 换出页面 时需要使用 “页面置换算法” 。
• 换入/换出页面都需要 启动慢的I/O操作 ，所以如果此操作太频繁将会有很大开销。
• 页面调入内存后需要 修改慢表 ，同时也许要将表项 复制到快表 中。

页面置换算法（确定将如何换入/换出）

请求分页存储管理 与 基本分页存储管理 其中的一点区别就在于内存空间不够时，操作系统需要将暂时用不到的信息换出到外存，选择调出页面的算法就称为 页面置换算法 。（算法的英文缩写要记住）

页面分配策略

驻留集 ：指请求分页存储管理中 给一个进程分配的物理页框的集合 就是这个进程的驻留集

• 调入页面的时机
  • 预调页策略 ：运行前提前调入内存，目前预调页的成功率仅50%，所以这种策略主要用于 进程的首次调入 ，由程序员指出应先调入哪些页。
  • 请求调页策略 ：进程运行时，发现缺页了才调入内存。

外存中分为 对换区 和 文件区 ，对换区采用连续存储方式，速度更快 ，文件区采用离散存储方式，速度更慢 。因为两个区的不同，所以有 从何处调入页面 的问题。

• 从何处调入页面
  • 系统拥有足够的对换区空间 ：运行将所以的数据从文件区复制到对换区，之后所有的页面调度都在内存和对换区之间进行
  • 系统缺少足够的对换区空间 ：不会修改的数据每次从文件区调入，会修改的数据调出到对换区，需要时再从对换区调入
  • UNIX方式 ：第一次使用的页面都从文件区调入，调出的页面都写回对换区，再次使用时从对换区调入

抖动（颠簸） 现象：页面频繁的换入换出，主要原因时因为 分配给进程的物理块不够

工作集 是指再某段时间间隔内，进程要访问的页面集合。（驻留集大小要大于工作集大小）