操作系统原理——第三章:连续式内存分配

文章目录

  • 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
    • 1.3 操作系统的内存管理
    • 1.3 操作系统的内存管理方式
  • 2. 地址空间 & 地址生成
    • 2.1 地址空间的定义
    • 2.2 地址生成
      • 2.2.1 逻辑地址生成的过程
      • 2.2.2 物理地址生成的过程
    • 2.3 地址安全检查
  • 3. 连续内存分配
    • 3.1 内存碎片问题
    • 3.2 分区的动态分配
      • 3.2.1 最先匹配(First Fit Allocation)策略
      • 3.2.2 最佳匹配(Best Fit Allocation)策略
      • 3.2.3 最差匹配(Worst Fit Allocation)策略
  • 4. 碎片整理:压缩式与交换式
    • 4.1 压缩式碎片整理
    • 4.2 交换式碎片整理

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

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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–
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1.3 操作系统的内存管理

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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 操作系统原理——第三章:连续式内存分配_第4张图片

2.2 地址生成

2.2.1 逻辑地址生成的过程

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  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

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  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

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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
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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
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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。
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  • 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。
    操作系统原理——第三章:连续式内存分配_第11张图片

  • 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)
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  • 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?
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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?
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