Windows操作系统存储管理——实存管理和虚存管理

 我是荔园微风，作为一名在IT界整整25年的老兵，今天总结一下Windows操作系统存储管理——实存管理和虚存管理。

存储器管理的对象是主存（内存）。重点是要知道实存和虚存的管理，而虚存管理重点是逻辑地址和物理地址间的转换。

实存管理

存储管理的任务是存储空间的分配与回收。实际存储管理主要方式是分区存储管理，把内存分为若干区，每个区分配给一个作业使用，并且用户只能使用所分配的区。存储管理按划分方式不同分区，见下：

（1）

分配方式：固定分区

分配类型：静态分配法　　     

分配特点：将主存划分为若干个分区，分区大小不等

（2）

分配方式：可变分区

分配类型：动态分配法　     

分配特点：存储空间划分是在作业装入时进行的，故分区的个数是可变的，分区的大小刚好等于作业的大小

（3）

分配方式：可重定位分区

分配类型：动态分配法　　     

分配特点：移动所有已分配好的分区，使之成为连续区域

　　   　　

在可变分区分配方式中，当有新作业申请分配内存时所采用的存储分配算法有以下4种：

(1)最佳适应法：选择最接近作业需求的内存空白区（自由区）进行分配。该方法可以减少碎片，但同时也可能带来小而无法再用的碎片。

(2)最差适应法：选择整个主存中最大的内存空白区。

(3)首次适应法：从主存低地址开始，寻找第一个能装入新作业的空白区。

(4)循环首次适应算法：首次适应法的变种，也就是不再是每次都从头开始匹配，而是从刚分配的空白区开始向下匹配。

虚存管理

“实存管理”策略比较简单，但毕竟内存大小总有限，如果出现大于物理内存的作业就无法调 入内存运行。解决办法就是虚拟存储系统，即用外存换取内存。虚存管理则是实现虚拟地址和实地址的对应关系。

虚存管理情况下，实际进程对应运行的地址为逻辑地址(虚拟地址)，而不对应主存的物理地址(实地址)。这种方式允许部分数据装入和对换，可用较小的内存运行较大的程序。这样就可以 提供大于物理地址的逻辑地址空间。

常见的虚存组织方式有3种，见下。

（1）页式管理

划分方式： 进程地址分为若干大小等长区(定长)。主存空间划分成与页相同大小的若干个物理块，称为块

进程分配主存：进程的若干页分别装入多个不相邻接的块中

地址结构：(页号p，页内偏移d)

实际地址定位：通过页表找到内存物理块起始地址，然后+页内偏移

其他：页表：一张逻辑页到实际物理页映射表。系统借助页表能找到在主存的目标页面对应的物理快。快表：一组高速存储器，保存当前访问频率较高的少数活动页及相关信息。

（2）段式管理

划分方式：作业的地址空间被划分为若干个段(可变长)，每段是完整的逻辑信息

进程分配主存：作业每个段整体分配一个连续的内存分区。作业的各个段可以不连续地分配到主存中

地址结构：(段号s，段内偏移d)

实际地址定位：段表内找出内存物理块起始地址，然后+段内偏移

其他：段表：一张逻辑段到物理主存区的映射表。系统借助段表找到目标段起始地址(基址)和段的长度

（3）段页式管理

划分方式：整个主存划分成大小相等的存储块(页框)。再将用户程序按程序的逻辑关系分为若干个段。再将每个段划分成若干页

进程分配主存： 以存储块(页框)为单位离散分配

地址结构： (段号s，段内页号p，页内偏移d)

实际地址定位：先在段表中找到页表的起始地址，然后在页表中找到起始地址，最后+页内偏移

其他：无

举例

某计算机系统页面大小为4K，进程的页面变换见表，逻辑地址为十六进制1D16H。该地址经过变换后，其物理地址应为十六进制的多少呢？

页号     物理块号

0           1

1           3

2           4

3           6

分析

页面大小为4K(4K=2^12)，因此该系统逻辑地址低12位为页内地址， 高位对应页号。而逻辑地址为十六进制1D16H，代表逻辑地址有16个二进制位，其中低位D16H(12位)为页内地址，高位1(4位)说明页号为1。 由上表可知，页号1对应的物理块号为3。因此，1D16H的实际地址为3D16H。

另外，还需要知道一个算法：

最近未用淘汰算法——NUR(Not Used Recently) 淘汰算法， 每次都尽量选择最近最久未被写过的页面淘汰。算法按照下列顺序选择被淘汰的页面：

第1淘汰：访问位=0，修改位=0；直接淘汰。

第2淘汰：访问位=0，修改位=1；写回外存后淘汰。

第3淘汰：访问位=1，修改位=0；直接淘汰。

第4淘汰：访问位=1，修改位=1；写回外存后淘汰。

虚存管理

虚拟存储管理包含作业调入内存、放置(放入分区)、置换等工作。

虚拟存储管理内容

（1）

管理动作：调入

具体解释：确定何时将某一页/段的外存的内容调入主存。通常分为：  (1)请求调入：需要使用时调入。 (2)先行调入：预计即将使用的页/段先行调入主存

（2）

管理动作：放置

具体解释：调入后，放在主存的什么位置。方法和主存管理方法一致

（3）

管理动作：置换

具体解释：当内存已满， 需要调出(淘汰) 一些页面给需要使用内存的页面。具体方法与Cache 调入方法一致。 (1) 最优算法(OPT) ：淘汰不用的或最远的将来才用的页。理想方法， 难以实现。 (2) 随机算法(RAND) ：随机淘汰。开销小， 但性能不稳定。 (3) 先进先出算法(FIFO) ：调出最早进入内存的页。 (4) 最近最少使用算法(LRU) ：选择一段时间内使用频率最少的页。

作者简介：荔园微风，1981年生，高级工程师，浙大工学硕士，软件工程项目主管，做过程序员、软件设计师、系统架构师，早期的Windows程序员，Visual Studio忠实用户，C/C++使用者，是一位在计算机界学习、拼搏、奋斗了25年的老将，经历了UNIX时代、桌面WIN32时代、Web应用时代、云计算时代、手机安卓时代、大数据时代、ICT时代、AI深度学习时代、智能机器时代，我不知道未来还会有什么时代，只记得这一路走来，充满着艰辛与收获，愿同大家一起走下去，充满希望的走下去。