第七章 内存管理

前言

• 单道程序设计系统中，内存被划分为两部分：

  • 一部分供操作系统使用（驻留监控程序、内核）；

  • 一部分供当前正在执行的程序使用。

• 多道程序设计系统中：

  • 在内存中进一步细分出用户部分，以满足多进程要求；

  • 细分的任务由操作系统动态完成 — 内存管理。

一、内存管理需求

• 重定位

• 保护

• 共享

• 逻辑组织

• 物理组织

1. 重定位

• 程序员并不知道进程执行时在内存的位置

• 进程可能被置换到磁盘，再次进入内存时将在不同的位置，需要重定位

  • 必须允许进程通过 swapping 技术在内存移动

  • 内存索引（逻辑地址）必须转换成进程的物理内存空间

• 重定位：将逻辑地址转换为物理地址

  • 当进程装入内存时，绝对地址是确定的；

  • 进程在执行期间，可能占据不同的分块（置换）；

  • 压缩技术也可能会引起进程占据不同的分块

• 地址类型

  • 逻辑地址（相对地址）

    • 程序中的访问地址，从 0 开始；

  • 物理地址（绝对地址）

    • 数据在内存的

重定位 — 过程

• 系统采用运行时动态加载的方式把使用相对地址的程序加载到内存。

  1. 被加载进程中的所有内存访问都是相对于程序的开始点

  2. 需要一个硬件机制把相对地址转换成物理地址

     • 基址寄存器 — 载入程序在内存中的起始位置

     • 界限寄存器 — 程序的终止位置

     • 基址寄存器 + 相对地址 < 界限寄存器 — 提供保护

2. 保护

• 内存管理：避免内存中的进程间有意无意的互相干扰，防止地址越界和操作越权；

  • 用户进程不能访问 OS 的任何代码或数据；

  • 进程未经授权不能访问其他进程的内存单元，读或写；

  • 编译时不可能检查绝对地址来确保保护，必须在指令访问内存时判断访问是否违法；

• 此需求必须由 CPU（硬件）来满足，而不是由 OS（软件）满足。

3. 共享

• 允许多个进程访问内存的同一部分；

  • 多个进程属于同一个程序，每个进程访问程序同一个副本；

  • 合作完成同一个任务的进程可能需要共享访问相同的数据结构；

• 必须允许共享区域进行受控访问。

4. 逻辑组织

• 程序被组织成模块

  • 某些模块可以独立地编写和编译；

  • 可以给模块不同程度的保护（只读 、 只执行）；

  • 模块化易于被多个进程共享。

5.物理组织

• 存储器至少分为两级，如果程序员负责组织信息流

  • 供程序和数据使用的内存可能不足

    • 需采用覆盖技术来组织程序和数据，不会被同时调用的共同使用同一内存区

    • 浪费时间

  • 多道程序设计中，程序员并不知道可用空间的大小和位置；

• 内存管理：需要 OS 移动信息完成存储管理功能。

二、内存分区

• 内存管理技术：固定分区；动态分区；简单分页；简单分段；虚拟内存分页；虚拟内存分段。

• 分页、分段：离散分配内存空间给进程的页或段

• 分区：连续分配内存空间给一个进程

  • 固定分区

  • 动态分区

1. 固定分区

• 系统将内存划分成若干边界固定的区域，设定分区说明表；

• 分区大小相等：小于或等于分区大小的任何进程可以装入可用分区。

分区大小不等：放置算法

• 把每个进程分配到能够容纳它的最小分区；

• 使得分区内部碎片最少；

• 调度队列保存换出的进程

  • 每个分区一个队列或者只提供一个队列

    • 容纳新进程的最小分区；

    • 考虑优先级；

    • 被阻塞的进程。

缺点

• 分区数目固定，限制了活动进程数目；

• 分区大小事先设置，小作业不能有效利用分区空间。

2. 动态分区

• 分区的长度和数目是可变的；

• 进程被精确分配在相应的内存空间。

缺点：

• 会产生很多空洞 — 外部碎片；

• 克服空洞，引入压缩技术

  • OS 不停移动内存中的进程，使碎片连成一片；

  • 费时，并要求动态重定位。

动态分配 — 放置算法

• 最佳适配（Best Fit）

  • 空闲区按大小递增顺序排列，选择与要求的大小最接近的块；

  • 性能最差，更经常地压缩。

• 首次适配（First Fit）

  • 从开始扫描内存，选择大小足够的第一个可用块；

  • 低地址有许多碎片，高地址端有大空间可用；

  • 最简单的，最好的，最快的。

• 下次适配（Next Fit）

  • 从上一次放置位置开始扫描内存，选择下一个大小足够的可用块；

  • 末尾最大的存储块很快分成小碎片，需要多次压缩。

3. 伙伴系统

• 折中方案

• 伙伴：两个大小相等的相邻分区；

• 2^U 表示可用的整个内存的大小；

• 算法：如果请求的大小 s 满足 2^(U-1) < s ≤ 2^U ，则分配整个空间；

  • 否则，分成两个大小相等的伙伴，均为 2^(U-1)，如果有 2^(U-2) < s ≤ 2^(U-1)，则分配其中任何一个；

  • 直到产生大于或等于 s 的最小块。

4. 分页

• 内存被划分为固定大小的块 — 页框 frame；

• 进程也划分成同样大小的块 — 页 page；

• 此技术为每个进程浪费的空间仅仅是 一 小部分内部碎片

  • 最后一页产生内部碎片；

  • 无外部碎片。

• OS 需要为每个地址维护一个页表

  • 页表项包含内存中的用于保存相应页的页框号；

  • 进程进入内存分配页框，并创建页表；

  • CPU 必须知道如何访问当前进程的页表

• 逻辑地址包括一个页号和在该页中的偏移量

分页 — 地址装换

• 地址转换步骤：

  • 提取页号；

  • 对应页号，找到页表中的页框号 k；

  • 物理地址：k * 2^m + 偏移量（m 是偏移量的位数）。

练习题：页式存储管理系统中，某进程页表如下。已知页面大小为 1024 字节，问逻辑地址 600，2700，4000 所对应的物理地址各是多少？

答：
逻辑地址 600 在 0# 页，放在 7# 页框。页内偏移地址为 600。
对应的物理地址为：600：7×1024＋600＝7768

2700 在 2# 页，放在 5# 页框，页内偏移地址为：2700 mod 1024＝652
对应的物理地址为：2700：5×1024＋652＝5772

逻辑地址 4000 在 3# 页，越界

5. 分段

• 分段技术：把程序和其相关的数据划分到几个段中，有长度限制，但不一定相等；

• 逻辑地址 = 段号 + 偏移量；

• 段大小不等，类似于动态分区；

• 段表给出相应的段在内存中的起始地址和段的长度；

• 段表的地址装入寄存器，供内存管理硬件使用。

分段 — 地址转换

分段 — 转换机制

练习题：在一个简单分段系统中，包含如下段表：

对如下的每一个逻辑地址，确定其对应的物理地址或者说明段错误是否会发生：

答：
a. 段 0 定位在 660，所以我们有物理地址 660 + 198 = 858。

b. 段 2 的起始地址是 222，222 + 156 = 378。

c. 段 1 长度为 422，所以会发生错误。

d. 996 + 444 = 1440。

e. 660 + 222 = 882。

三、安全问题

1. 缓冲区溢出（内存越界）

• 输入到一个缓冲区或者数据保存区的数据量超过了其容量，从而导致覆盖了其他信息。

  • 可能由编程错误造成；

  • 会被攻击者利用，攻击系统

• 错误后果：

  • 程序使用数据损坏；

  • 程序中控制流发生意外改变；

  • 违法的内存访问；

  • 程序终止。

• 为了利用各种缓冲区溢出类型，攻击者需要

  • 找出程序中的外源数据触发的缓冲区溢出漏洞；

  • 了解缓冲区将如何在进程内存中存储，从而发现损坏相邻内存单元及改变程序执行流的可能性

• 通过追踪程序可以发现易受攻击的程序；

• 通过特定工具，可以自动发现潜在地易受攻击的程序。

预防缓冲区溢出

• 编译时防御系统，强化系统以抵制潜伏于新程序中的恶意攻击 — 止执行缓冲中的代码；

• 运行时防御系统，检测并中止现有程序中的恶意攻击 — 检测到异常及时中止。

四、补充内容

• 覆盖技术：把一个程序分为一系列功能相对独立的程序单元，让执行时并不要求同时装入内存的单元成一组，共享同一个存储区域。

• 覆盖技术要求程序员必须把一个程序划分成不同的程序段，并规定好它们的执行和覆盖顺序，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。

• 交换技术（swapping）：把暂时不用的某个程序及数据部分或全部从内存移到外存中去，以便腾出必要的内存空间，或把制定的程序或数据从外存读到相应的内存中，并将控制权转给它。

• 覆盖主要在同一个作业或同一个进程内进行，并且只能覆盖那些与覆盖程序段无关的程序段；而交换主要是在进程或作业之间进行。