操作系统原理——第三章：连续式内存分配

1. 计算机体系结构/内存分层体系

1.1 计算机体系结构：CPU，内存，I/O

1.2 内存分层体系

• 寄存器，cache：CPU芯片内部，操作系统无法对他直接进行管理，速度快，容量小
• 主存（物理内存）：放置操作系统本身要运行的一些代码，比上面容量大很多，速度相对慢一些，掉电数据就没了
• 硬盘：存储数据，容量大，速度慢

形成金字塔的结构，容量++，速度–

1.3 操作系统的内存管理

操作系统在内存管理要完成的目标：
① 抽象：逻辑地址空间
② 保护：独立地址空间
③ 共享：访问相同内存
④ 虚拟化：更多的地址空间

1.3 操作系统的内存管理方式

1. 操作系统实现内存管理目标的手段：
   ① 程序重定位
   ② 分段
   ③ 分页
   ④ 虚拟内存
   ⑤ 按需分页虚拟内存
2. 操作系统的实现高度依赖于硬件：
   ① 必须知道内存架构
   ② MMU（内存管理单元）：硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

2. 地址空间 & 地址生成

2.1 地址空间的定义

• 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：一个运行的程序所拥有的内存范围，起始地址0，直到MAXprog

2.2 地址生成

2.2.1 逻辑地址生成的过程

1. 编译时
   -假设起始地址已知
   -如果起始地址改变，必须重新编译
2. 加载时
   -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
3. 执行时
   -执行时代码可移动
   -需地址转换(映射) 硬件支持

2.2.2 物理地址生成的过程

1. CPU
   -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
2. 内存
   -发送物理地址的内容给CPU
   -或接收CPU 数据到物理地址
3. 操作系统
   -建立逻辑地址LA 和物理地址PA的映射

应用程序的逻辑地址是如何映射到物理地址？

a. 运算器ALU需要在逻辑地址的内存内容(CPU要逻辑地址)
b. 内存管理单元MMU寻找在逻辑地址和物理地址之间的映射(然后MMU找逻辑和物理地址的关系)
c. 控制器从总线发送在物理地址的内存内容的请求(关系找到后，去找对应物理地址)=>内存方面
e. 内存发送物理地址内存内容给CPU(物理地址找到了，给CPU)=>操作系统方面
f. 建立逻辑地址和物理地址之间的映射(确保程序不相互干扰)

2.3 地址安全检查

3. 连续内存分配

3.1 内存碎片问题

• 内存碎片：空闲内存不能被利用
• 外部碎片：在分配单元间的未使用内存
• 内部碎片：在分配单元中的未使用内存
  

3.2 分区的动态分配

1. 动态分区分配：
   ① 当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间
   ② 分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据
2. 分区的动态分配策略
   第一适配
   最佳适配
   最差适配
   

3.2.1 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：
  ① 空闲分区列表按地址顺序排序
  ② 分配过程时，搜索一个合适的分区
  ③ 释放分区时，检查是否可与临近的空闲分区合并

• 优点：
  ① 简单
  ② 在高地址空间有大块的空闲分区

• 缺点：
  ① 外部碎片
  ② 分配大块时较慢
  ③ 不确定性

3.2.2 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，使用第一个1KB的空闲块。
  

• 原理&实现：
  ① 空闲分区列表按照大小排序
  ② 分配时，查找一个合适的分区
  ③ 释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）

• 优点：
  ① 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
  ② 相对简单

• 缺点：
  ① 外部碎片
  ② 释放分区较慢
  ③ 容易产生很多无用的小碎片

3.2.3 最差匹配(Worst 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：
  ① 空闲分区列表按照由大到小排序
  ② 分配时，查找最大的分区
  ③ 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：
  ① 中等大小的分配较多时，效果最好
  ② 避免出现太多的小碎片

• 缺点：
  ① 释放分区较慢
  ② 外部碎片
  ③ 容易破坏大的空闲分区，因此后续难以分配大的分区

4. 碎片整理：压缩式与交换式

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

4.1 压缩式碎片整理

1. 通过移动分配给进程的内存分区，以合并外部碎片
2. 碎片紧凑的条件：· 所有的应用程序可动态重定位
3. 需要解决的问题：何时移动？如何降低开销？
   

4.2 交换式碎片整理

• 运行的程序需要更多的内存
• 抢占等待的程序 & 回收它们的内存
• 需要解决的问题：交换哪些程序？开销？