[操作系统]3.内存管理
和前面两篇是差不多的思路,仅为快速复习操作i系统基础知识点,例题暂无,考试不要参考,知识点来自王道操作系统
1.内存管理的基本要求和设定
内存管理主要完成的功能有
- 内存空间的分配和回收
- 地址转换(把逻辑地址转化为内存物理地址)
- 内存空间的扩充(覆盖,交换,虚拟化)
- 存储保护
因为一个进程如果想要执行,就必须从外存装入内存中,所以我们必须要对有限的内存进行一定的管理.
(1)程序运行的步骤:编译,链接,装载
程序如果想要运行,最重要的就是这三步骤
编译指的是把源代码编译成模块
链接:把模块以及所需的库函数连接起来形成一个整体,在这个阶段会生成逻辑地址
装入:把模块整体装入内存中,同时把逻辑地址转化为真实的物理内存地址
其中;链接有三种方式
静态链接:在程序运行之前,就完全装入链接
装入时动态链接:在装入内存的时候才开始链接
运行时动态链接:运行的时候才开始链接
装入也有三种方式,对于不同的地址转化方案
绝对装入:在编译的时候,就知道模块要放在内存的某个位置了,这种情况下地址不用转换,逻辑地址就算绝对地址
可重定位装入(静态重定位):在装入的时候完成地址变换,这种变换方法主要适用于一整块存入,只需要一个起始地址即可
动态重定位: 在运行的时候才进行地址变换,这种适用于分块存储进程的方式,但是需要一个重定向寄存器来协助
(2)关于内存保护
内存保护一共有两种可用的实现方式
(1)设置上下限寄存器,每次存入进程到内存中的时候,都会比较这两个寄存器的数值
(2)基址寄存器和界地址寄存器:分别给出起始地点,以及可用的大小
(3)覆盖和交换技术
在虚拟化技术没有诞生之前,我们常常使用这两种技术来扩充逻辑上的内存,营造出内存非常够用的假象.
1.覆盖技术:
覆盖技术指的是,把内存分成一个固定区,和多个覆盖区,覆盖区中的内容可以变化
举个例子,我们进行递归求解的时候通常可以画出一个递归树
递归树的同一层都不是同时发生的,彼此也没有依赖需求,这个时候,这些工作就可以共用一个覆盖区
而固定区是根节点,也就是main函数
2.交换技术
交换技术其实就算我们在第二章讲的调度部分的中级调度/内存调度
覆盖技术常用在同一个程序和进程中,而交换主要用于不同的进程之间
覆盖技术已经被虚拟化取代了
2.关于内存的管理方式(重点)
内存的管理方式是绝对的终点,内存管理主要有两种思路,第一种是连续内存管理,另一种是非连续内存管理
连续分配
(1)单一连续分配
在单一连续分配方式中,内存分为系统区和用户区,用户区一次只存入一个任务,这种分配模式适合单一用户和任务
(2)固定分区分配
固定分区分配指的是,把内存划分为固定大小的分区(可以相同,也可以不一样),然后每个分区只能存入一个任务,使用分区说明表这种数据结构对每个分区进行管理
但是这种容易产生内部碎片
| 内部碎片:指的是分给某个进程的空间没有被完全利用的部分 |
| 外部碎片:指的是没有分配给进程的空闲部分 |
(3)动态分区分配
和上面不同,这次我们不在把内存认为的分割大小,而是直接动态地装入内存中.
一共有四种装入算法
首次适应算法:从高到低遍历所有空闲分区,然后选择第一个合适的
最佳适应算法:将分区按容量从高到低的顺序进行遍历,选择第一个合适的
最坏适应算法:将分区按容量从低到高的顺序进行遍历,然后第一个最合适的
邻近适应算法:在第一种的方法演变而来,遍历的起始节点是上一次的终点
但是这种分配无论使用何种算法,都会带来一定的外部碎片问题
非连续分配
(这个稍微恶心一点)非连续分配允许我们把一个进程拆分成多个部分,然后填入不同的位置
(1)基本分页管理:
基本分页管理的核心思想类似连续分配中的非连续固定分区,将内存划分为多个大小一致的分区,称之为页,然后按照这个分区的大小划分内存,称之为块
在进程中,逻辑地址的格式如下
| 块号P | 块内地址W |
另外我们有一个名为页表的数据结构,每个对应的块号都可以指定式在内存中的第几个页
并且P和W不需要明确给出,可以根据逻辑地址A和块大小L计算出来
假设存在一个逻辑地址A,页面大小为L
则P=A/L W=A%L
P对应的内存中的块为b(这个依靠页表直接提供)
则内存地址为 E=W
(2)基本分段管理
分段管理和分页管理最大的区别就是,分段管理是按照程序的逻辑自然分成大小不一的段落
内存中不在按照任何格式划分块,只按照某种逻辑or算法插入内存中
在分段的进程中,逻辑地址的格式如下
| 段号P | 段内地址W |
(注:由于各个段的长度不一致,所以段内地址的长度取决于大小最大的进程自然段)
另外存在一个名为段表的数据结构,负责对应每个段在进程中的段号,段的长度,以及段在内存中
| 段号P | 段的长度 | 段的起始地址b |
这种就肥肠简单,因为该给出来的东西都给出来了
E=b+W
(注2:仍然由于各个段的长度不一致,所以无法根据一个逻辑地址计算出P和W,所以这个数据结构必须明确地给出)
(3)段页式管理:
段页式管理方式集中了以上两种方式,先转化成多个段,然后段内进行分页
| 段号P1 | 页号P2 | 页内地址 |
3.关于虚拟内存
继交换和覆盖技术以后,虚拟内存式目前最常用的一种扩展内存的方式
交换和覆盖系统都有一个特征就是,想要执行的任务必须一次性完整的放入内存中,但是可能会遇到的就是一个任务消耗的内存过大,已经远远超过了真实内存
所以虚拟的核心就是,把一个任务分成多个部分,将要运行的部分放入内存中进行运行,例如gta5,当你进入某个建筑物的时候,整体的外部就可以暂时挂起,只运行建筑物有关的部分.
(1)局部性原理
局部性原理起始有两方面
(1)空间局部性:访问了内存的某个单元,则这个单元附近的地址近期也可能调用
(2)时间局部性:一条指令被执行过以后,大概率在短期内再次执行
这两条原理同时适用于数据结构,也就是goto语句有害的有力论证
(2)虚拟内存的特点
(1)多次:作业无需一次性插入内存中
(2)对换性:作业无需长期驻留在内存中
(3)虚拟性:用户能看到的容量,远大于实际容量
关于虚拟和实际容量的关系
虚拟容量的最大值是寻址的最大值
虚拟内存的最小值是min(最大值,内存+外存)
(3)
(4)交换算法
交换算法主要用来处理内存中任务块中的内存调入和调出
一共有四种算法,不过其中第四种算法clock使用方法过于抽象,这里就不适用了
(1)最佳算法OPT
核心思想就算找出未来不再使用的内存块,并且调出内存
这种算法最理想,但是8可能实现
(2)先进先出算法FIFO
最开始调入内存的块,第一个调出,和队列是类似的性质
(3)LRU最近最少使用算法
最近最少使用的内存块,调出内存
(4)clock算法,不怎么用就算