内存管理的基本原理和要求的解释

一：内存管理的概念

  内存管理（Memory Management）是操作系统中最重要和最复杂的内容之一。随着计算机硬件的飞速发展，内存容量也在不断增长，但是现在的软件大小也在不断增长并且增长的很快，不可能将所有用户进程和系统所需要的全部程序和数据放入主存中，因此操作系统必须对内存空间进行合理的划分和有效的动态分配，这就是内存管理的概念。

  有效的内存管理在多道程序设计中非常有用，它不仅可以方便用户对内存的管理，还可以有效提高计算机内存的利用率，还可以通过虚拟技术在逻辑上扩充内存。

内存管理的功能有：

• 内存空间的分配和回收 由操作系统直接负责内存的分配和回收，减轻程序员的负担，使编程效率变得更高。
• 地址转换 由于在多道程序环境下，程序的物理地址和逻辑地址有可能不一致，这时就需要地址转换来把逻辑地址转换成真实的物理地址
• 内存空间的扩充 利用虚拟存储技术或自动覆盖技术来实现内存的逻辑上的扩充。
• 存储保护 保证各道程序在自己的内存空间中运行，互不干扰。

二：进程运行的基本原理和要求

  创建进程首先要将程序和数据装入内存，将用户程序变为可在内存中运行的程序，通常需要以下几个步骤：

（1）编译 由编译程序将用户源代码编译成若干目标模块

（2）链接 由链接程序将编译后形成的一组目标模块和库函数链接在一起，形成有一个完整的装入模块

（3） 装入 由装入程序将装入模块装入内存运行

 

 

• 程序的链接有三种方式：

（1）静态链接 先将各目标模块以及它们的库函数链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开

（2）装入时动态链接  将用户源程序编译后所得到的一组模块，在装入内存时，采用边装入边链接的方法

（3）运行时动态链接 对某些目标模块的链接，是在程序执行该模块时才需要进行的，方便进行修改和更新，便于实现对目标模块的共享

 

• 内存的装入模块在装入内存时的三种方式：

（1）绝对装入

在编译时，若知道程序在内存的位置，则编译程序将直接产生绝对地址的目标代码。 绝对装入程序按照装入模块中的地址，把程序和数据装入内存，由于程序中的逻辑地址与实际内存中的地址完全相同，所以不需要对程序和数据的地址进行修改。

 绝对装入只适用于单道程序环境。在程序中所使用的绝对地址，是在编译或汇编时进行转换的，也可由程序员直接赋予。通常情况下，程序中采用的是符号地址，而在编译或者汇编时转化为绝对地址。

 （2）可重定位装入  

在多道程序环境下，多个目标模块的起始地址都是从0开始的，程序中的其它地址都是相对于始址的，此时应采用可重定位装入的方式。在装入内存时，将装入模块装入内存中合适的位置。在装入过程中，对程序和数据的地址的修改的过程称为重定位，又因为是一次性装入，又称为静态重定位。

静态重定位的特点是：一个作业在装入内存时，必须给它分配足够的空间，若没有，则不能装入该作业。此外，一旦作业呗被入内存，整个运行期间就不能在内存中移动，也不能申请新的内存空间。

（3）动态运行时装入

动态运行时装入，又称动态重定位。程序若是在内存中发生移动，可以采用动态的装入方式来解决，程序装入程序将程序 的装入模块装入内存时，并不直接转换为绝对地址，而是采用相对地址，直到程序真正开始执行时才转换为绝对地址。但是这种方式需要一个重定位寄存器。

动态重定位的特点是，可以将程序分配到不连续的存储空间，在程序运行之前，只装入它的部分代码即可投入运行，然后在程序运行期间，根据它的需要，动态的申请分配内存，这样便于程序段的共享，也可以向用户提供一个比内存空间大的多的内存空间。

三 逻辑地址空间与物理地址空间

编译后，每个目标模块的地址都是从0号单元开始编址，这称为该目标模块的相对地址或者逻辑地址。当链接程序将各个目标模块链接成一个可执行的完整的目标程序时，链接程序顺序将每个目标模块的相对地址构成统一的从0号单元开始编址的逻辑空间。用户和程序员只需知道逻辑地址，而内存的管理机制则是完全透明的，而逻辑地址的转换则由系统编程人员才会涉及。不同进程可以有相同的逻辑地址，因为这些相同的逻辑地址可以映射成不同的实际地址。

物理地址空间是指内存中的物理单元集合，它是地址转换的最终地址。程序执行指令和访问数据时，最后都要从物理地址中存取。当装入程序将可执行代码装入内存后，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址，这个过程称为地址重定位。

四 内存保护

内存分配前，需要保护操作系统不受用户进程的影响，也要博湖用户基金从不受其它用户进程的影响。

（1）在CPU中设置一对上下限寄存器，分别存方用户作业在内存中的上限地址和下限地址，每当CPU要访问一个地址时，分别与两个寄存器的值想比较，判断是否越界。

（2）采用重定位寄存器（或界址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）来实现这种保护