Chapter 4 存储器管理

4.1 存储器的结构层次

• 存储器要求运行速度快还要求具有非常大的容量

4.1.1 多层结构的存储器系统

• 对于通用计算机而言，存储器有三级：最高级为CPU寄存器，中间为主存，最底层为辅存
• 其中寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统管理的范围，掉电之后存储的信息不再存在
• 为了缓和CPU和内存的速度不匹配，出现了高速缓存；有为了缓和内存和外存的速度不匹配，出现了磁盘缓存

4.2 程序的装入和链接

• 用户程序需要在系统中运行，需要经过编译、链接、装入三个步骤

4.2.1 程序的装入

1. 绝对装入方式：用户程序经过编译之后产生绝对地址的目标代码，装入模块被装入内存之后，由于程序中的相对地址与实际内存地址完全相同，故不需要对程序和数据的地址进行修改。
2. 可重定位装入方式：在多道程序环境下，对于用户程序编译所形成的若干个目标模块，它们的起始地址通常都是从0开始的，程序中的其他地址也都是相对于起始地址计算的
3. 动态运行时的装入方式：把装入模块装入内存之后，并不立即把装入模块中逻辑地址转换为物理地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。

4.2.2 程序的链接

• 链接程序的功能是将这组目标模块以及他们所需要的库函数装配成一个完整的装入模块
• 也分为以下三种链接方式
  • 静态链接方式：在程序运行之前，先将各目标模块以及他们所需要的的库函数链接成一个完整的装配模块，以后不再分开
  • 装入时动态链接：在装入内存时，采用边装入边链接的链接方式
  • 运行时动态链接

4.3 连续分配存储管理方式

• 该分配方式为一个用户程序分配一个连续的内存空间，即程序中代码或者数据的逻辑地址相邻，体现在内存空间分配时物理地址的相邻
• 单一连续分配
• 固定分区分配
• 动态分区分配

4.3.4 基于顺序搜索的动态分区分配算法

1. 首次适应（FF）算法
   • 要求空闲分区链以地址递增的次序链接
   • 从链首开始顺序查找，直到找到一个大小能满足要求的空闲分区为止，如果找不到，则表示内存分配失败
   • 这种算法容易导致大量的内存碎片产生
2. 循环首次适应（NF）算法
   • 该算法在为进程分配内存空间时，不再是每次都从链首开始查找，而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找
   • 但是这种算法容易导致大块分区被分割，从而缺少大的空闲分区
3. 最佳适应（BF）算法
   • 将所有的空闲分区按照其容量从小到大进行排序，选择最适合的
   • 但是这样会分割出许多很小的内存碎片
4. 最坏适应（WF）算法
   • 与最佳适应算法正好相反，在扫描整个空闲分区表的时候总是挑选最大的空闲区

4.5 分页存储管理方法

4.5.1 分页存储管理的基本方法

1. 页面和物理块
   • 分页存储管理将进程的逻辑地址空间分成若干个页，并未每个页加以编号
   • 相应地，把内存的物理地址结构分成若干个块，同样进行编号
   • 页面大小应该选择适中，一般是1KB-8KB
2. 地址结构：包含两部分内容，前一部分是页号P，后一部分是偏移量W，即页内地址
3. 页表：包含页号和对应的物理块号—主要作用是实现从页号到物理块号的映射

4.5.2 地址变换机构

• 可以设置页表寄存器PTR来存放页表在内存的始址和页表的长度
• 因为页表存放在内存中，因此需要两次访问内存才能取得数据，因此产生了块表，放在外存，存放每次获得的页表物理地址，可以减少访问时间

4.6 分段存储管理方式

4.6.1 分段存储管理方式的引入

• 方便编程：通常用户把自己的作业按照逻辑关系划分为若干个段，因此程序员需要访问的逻辑地址是由段名和段内偏移量决定的
• 信息共享：在实现对程序和数据的共享时，是以信息的逻辑单位为基础的。

4.6.2 分段系统的基本原理

• 分段地址中的地址具有如下结构：段号+段内地址
• 段表：实现逻辑段到物理内存的映射
  • 段表包含段号—作业空间；段长—偏移量；基址—内存起始位置
• 分页和分段的区别
  • 页是信息的物理单位，段则是信息的逻辑单元
  • 页的大小固定且由系统决定，而段的长度却不固定
  • 分页的用户程序地址空间是一维的，而分段既需要给出段名又需要给出段内地址，因此是二维的。

4.6.4 段页式存储管理方式

• 即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名