【王道·操作系统】第三章 内存管理【未完】

一、内存管理

1.1 内存的基础知识

• 内存可存放数据，程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾
• 内存地址从0开始，每个地址对应一个存储单元
  • 按字节编址：每个存储单元大小为1字节(B)，即8个二进制位
  • 按字编址：每个存储单元大小为1个字，字长为x位的计算机，每个字的大小为x个二进制位
• 编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（编译就是把高级语言翻译为机器语言）
• 链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块
• 装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行

1.1.1 程序装入的三种方式

1. 绝对装入
   • 在编译时，若知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码
   • 装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存
   • 特点：只适用于单道程序环境
2. 静态重定位（可重定位装入）
   • 根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置，装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）
   • 特点：装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业；作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动，也不能再申请内存空间
3. 动态重定位（动态运行时装入）
   • 装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行
   • 需要一个重定位寄存器的支持
   • 采用动态重定位时允许程序在内存中发生移动

1.1.2 链接的三种方式

1. 静态链接：在程序运行前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件(装入模块)，之后不再拆开
2. 装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式
3. 运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接；优点：便于修改、更新、实现对目标模块的共享

1.2 内存管理的概念

• 操作系统负责内存空间的分配与回收
• 操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
• 操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换（地址重定位）
  1. 绝对装入：编译时产生绝对地址；单道程序阶段，此时还未产生OS
  2. 可重定位装入：装入时将逻辑地址转换为物理地址；早期多道批处理系统
  3. 动态运行时装入：运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位寄存器；现代操作系统
• 操作系统需要提供内存保护功能，保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰
  1. 方法一：在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址，进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界
  2. 方法二：采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查；重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址，界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址

二、内存空间的扩充

2.1 覆盖技术

• 思想：将程序分为多个段(多个模块)；常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存
• 内存中分为一个固定区和若干个覆盖区
  • 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后除运行结束，否则不再调出
  • 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存；按照自身逻辑结构，让那些不可能同时被访问的程序段共享同一个覆盖区
• 实现：必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖
• 缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担
• 应用：只适用于早期的操作系统中，现在已成为历史。

2.2交换技术

• 思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）
• 中级调度（内存调度）：决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存
• 暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态，suspend)，挂起态细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
  

1. 磁盘空间通常分为文件区和对换区两部分
   • 文件区：主要用于存放文件，追求存储空间的利用率；因此对文件区空间的管理采用离散分配方式
   • 对换区空间只占磁盘空间的小部分，存放被换出的进程数据，对换区空间的管理主要追求换入换出速度(对换的速度直接影响到系统的整体速度)，因此对换区采用连续分配方式；对换区的I/O速度比文件区的更快
2. 交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停
3. 可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为防止优先级低的进程频繁调入调出，还会考虑进程在内存的驻留时间
4. PCB 会常驻内存，不会被换出外存

2.3 虚拟存储技术

三、内存空间的分配与回收——连续分配

连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间

3.1 单一连续分配

• 在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区
  • 系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据
  • 用户区用于存放用户进程相关数据
• 内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间
• 优点：实现简单；无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护（eg：早期的 PC 操作系统 MS-DOS）
• 缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；存储器利用率极低

3.1 固定分区分配

• 为了在内存中装入多道程序且程序间互不干扰，整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式
• 固定分区分配
  • 分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合
  • 分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求；根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分（比如：划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区）
• 操作系统需建立一个数据结构——分区说明表（数组或链表），来实现各个分区的分配与回收
  
• 优点：实现简单，无外部碎片
• 缺点：
  1. 用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能
  2. 会产生内部碎片，内存利用率低

3.3 动态分区分配

• 动态分区分配（可变分区分配）：不预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要；因此系统分区的大小和数目是可变的
• 数据结构记录：
  • 空闲分区表：每个空闲分区对应一个表项，该表项包含分区号、分区大小、分区起始地址等
  • 空闲分区链：每个分区的起始部分和末尾部分，分别设置前向指针和后向指针；起始部分处还可记录分区大小等信息
    
• 选择分区时，须按照一定的动态分区分配算法
  1. 回收区的后面有一个相邻的空闲分区，则两个相邻的空闲分区合并为一个
  2. 回收区的前面有一个相邻的空闲分区，则两个相邻的空闲分区合并为一个
  3. 回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区，则三个相邻的空闲分区合并为一个
  4. 回收区的前、后都没有一个相邻的空闲分区，则新增一个表项
• 动态分区分配没有内部碎片，但有外部碎片
  • 内部碎片：分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上
  • 外部碎片：内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用
• 若内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，因此这些“碎片”不能满足进程的需求：可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术来解决外部碎片

3.4 动态分区分配算法

3.4.1 首次适应算法first fit

• 算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区
• 实现：空闲分区以地址递增的次序排列：每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

3.4.2 最佳适应算法best fit

• 算法思想：由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域；因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区，即，优先使用更小的空闲区。
• 实现：空闲分区按容量递增次序链接：每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区
• 缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小的、难以利用的内存块，即产生很多外部碎片

3.4.3 最坏适应算法worst fit/最大适应算法（Largest Fit）

• 为解决最佳适应算法的问题，即留下太多难以利用的小碎片
• 算法思想：每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用
• 如何实现：空闲分区按容量递减次序链接：每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区
• 缺点：导致较大的连续空闲区被迅速用完，若之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用

3.4.4 邻近适应算法next fit

• 为解决首次适应算法的问题，即每次都从链头开始查找，可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区；而每次分配查找时，都要经过这些分区，增加了查找的开销
• 算法思想：如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
  如何实现：空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表），每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区

3.4.5 四种适应算法比较

• 首次适应算法：每次都要从头查找，每次都需要检索低地址的小分区。优点：当低地址部分有更小的分区可以满足需求时，会更有可能用到低地址部分的小分区；也更有可能把高地址部分的大分区保留下来
• 邻近适应算法：无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用。缺点：导致了高地址部分的大分区更可能被使用，划分为小分区，最后导致无大分区可用
• 综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好
  

四、内存空间的分配与回收——非连续分配

4.1 基本分页存储管理

• 将内存空间分为一个个大小相等的分区，每个分区就是一个“页框”，页框=页帧=内存块=物理块=物理页面
• 每个页框有一个编号，即“页框号”，页框号=页帧号=内存块号=物理块号=物理页号，页框号从0开始。
• 将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为一个**“页”或“页面”** 。每个页面也有一个编号，即“页号”，页号也是从0开始
• 操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间，进程的每页面分别放入一个页框中；即，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。
  • 各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中
  • 进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大，即分页存储有可能产生内部碎片，因此页框不能太大，否则可能产生过大的内部碎片造成浪费

4.1.1 页表

• 为了能知道进程的每个页面在内存中存放的位置，操作系统要为每个进程建立一张页表，页表通常存在PCB(进程控制块)中
  1. 一个进程对应一张页表
  2. 进程的每个页面对应一个页表项
  3. 每个页表项由“页号”和“块号”组成
  4. 页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的映射关系
  5. 每个页表项的长度是相同的

4.1.2 每个页表项占多少字节

• 例：假设某系统物理内存大小为 4GB，页面大小为 4KB，则每个页表项至少应该为多少字节？
  • 内存块大小=页面大小=4KB= 2¹² B
  • 4GB 的内存总共会被分为 2³² / 2¹² = 2²⁰个内存块
  • 内存块号的范围应该是 0 ~ 2²⁰ -1
  • 内存块号至少要用 20 bit 来表示
  • 至少要用3B来表示块号（3*8=24bit）
  • 由于页号是隐含的，因此每个页表项占3B，存储整个页表至少需要 3*(n+1)B
• 进程页表通常是装在连续的内存块中的
  • 若该页表在内存中存放的起始地址为 X ，则M 号页对应的页表项是存放在内存地址为 X + 3*M
  • 一个页面为 4KB，则每个页框可以存放 4096/3 = 1365 个页表项，但是这个页框会剩余 4096 % 3 = 1 B 页内碎片。 因此，1365 号页表项存放的地址为 X + 3*1365 + 1
  • 若每个页表项占 4字节，则每个页框刚好可存放 1024个页表项，1024 号页表项虽然是存放在下一个页框中的，但它的地址依然用 X + 4*1024
• 理论上，页表项长度为 3B 即可表示内存块号的范围；但是，为了方便页表的查询，常常会让一个页表项占更多的字节，使得每个页面恰好可以装得下整数个页表项

4.1.3 如何实现地址的转换

• 进程地址空间分页后：虽然进程的各个页面是离散存放的，但是页面内部是连续存放的；
  • 若：访问逻辑地址 A，则
    1. 确定逻辑地址A 对应的页号P
    2. 找到P号页面在内存中的起始地址（需要查页表）
    3. 确定逻辑地址A 的页内偏移量W
  • 逻辑地址A 对应的物理地址 = P号页面在内存中的起始地址+页内偏移量W
• 页号与页内偏移量的计算
  • 例：在某计算机系统中，页面大小是50B。某进程逻辑地址空间大小为200B，则逻辑地址 110 对应的页号、页内偏移量是多少？页号 = 110 / 50 = 2；页内偏移量 = 110 % 50 = 10
  • 逻辑地址可以拆分为**（页号，页内偏移量）**，通过页号查询页表，可知页面在内存中的起始地址
  • 页面在内存中的起始地址+页内偏移量 = 实际的物理地址
• 页号 = 逻辑地址 / 页面长度 （取除法的整数部分）
• 页内偏移量 = 逻辑地址 % 页面长度（取除法的余数部分）
• 如果每个页面大小为 2KB，用二进制数表示逻辑地址，则末尾 K 位即为页内偏移量，其余部分就是页号
• 总结：页面大小刚好是 2 的整数幂有什么好处？
  1. 逻辑地址的拆分更加迅速——如果每个页面大小为 2KB，用二进制数表示逻辑地址，则末尾 K 位即为页内偏移量，其余部分就是页号。因此，如果让每个页面的大小为 2 的整数幂，计算机硬件就可以很方便地得出一个逻辑地址对应的页号和页内偏移，而无需进行除法运算，从而提升了运行速度
  2. 物理地址的计算更加迅速——根据逻辑地址得到页号，根据页号查询页表从而找到页面存放的内存块号，将二进制表示的内存块号和页内偏移量拼接起来，就可以得到最终的物理地址
     

4.2 基本地址变换机构

• 基本地址变换机构可以借助进程的页表将逻辑地址转换为物理地址。
• 通常会在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F 和页表长度M
• 进程未执行时，页表的始址和页表长度放在**进程控制块（PCB）**中；当进程被调度时，操作系统内核会把它们放到页表寄存器中

4.2.1 地址变换

设页面大小为L，逻辑地址A到物理地址E的变换过程如下：

1. 计算页号 P 和页内偏移量W（ 十进制：P=A/L，W=A%L；但是在计算机实际运行时，逻辑地址结构是固定不变的，因此计算机硬件可以更快地得到二进制表示的页号、页内偏移量）
2. 比较页号P 和页表长度M，若 P≥M，则产生越界中断，否则继续执行。（注意：页号是从0开始的，而页表长度至少是1，因此 P=M 时也会越界）
3. 页表中页号P对应的页表项地址 = 页表起始地址F + 页号P * 页表项长度，取出该页表项内容b，即为内存块号（页表长度指的是这个页表中总共有几个页表项，即总共有几个页；页表项长度指的是每个页表项占多大的存储空间；页面大小指的是一个页面占多大的存储空间）
4. 计算 E = b * L + W，用得到的物理地址E去访存（若内存块号、页面偏移量是用二进制表示的，那么把二者拼接起来就是最终的物理地址了）
   

4.2.2 小细节

• 在分页存储管理（页式管理）的系统中，只要确定了每个页面的大小，逻辑地址结构就确定了
• 页式管理中地址是一维的，即只要给出一个逻辑地址，系统就可以自动地算出页号、页内偏移量两个部分，并不需要显式地告诉系统这个逻辑地址中，页内偏移量占多少位
  

4.3 具有快表的地址变换机构

• 快表，联想寄存器（TLB， translation lookaside buffer ）：一种访问速度比内存快很多的高速缓存（TLB不是内存！），用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度；与此对应，内存中的页表常称为慢表
• TLB 和 普通 Cache 的区别：TLB 中只有页表项的副本，而普通 Cache 中可能会有其他各种数据的副本

4.3.1 地址变换过程

1. CPU给出逻辑地址，由某个硬件算得页号、页内偏移量，将页号与快表中的所有页号进行比较
2. 若找到匹配的页号，说明要访问的页表项在快表中有副本，则直接从中取出该页对应的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此，若快表命中，则访问某个逻辑地址仅需一次访存即可
3. 如果没有找到匹配的页号，则需要访问内存中的页表，找到对应页表项，得到页面存放的内存块号，再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址，最后，访问该物理地址对应的内存单元。因此，若快表未命中，则访问某个逻辑地址需要两次访存

4.3.2 查找效率

• 由于查询快表的速度比查询页表的速度快很多，因此只要快表命中，就可以节省很多时间
• 因为局部性原理，一般来说快表的命中率可以达到 90% 以上
  • 时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问（因为程序中存在大量的循环）
  • 空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问（因为很多数据在内存中都是连续存放的）
• 快表和慢表同时查找
  

4.3.3 基本地址变换机构与具有快表的地址变换机构

4.4 两级页表

• 单级页表存在的问题：
  • 根据页号查询页表的方法：页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框
  • 由局部性原理可知，没有必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面
• 页目录表(外层页表，顶层页表)：把页表再分页并离散存储，然后再建立一张页表记录页表各个部分的存放位置
• 解决整个页表常驻内存：需要访问时才将页面调入内存(虚拟内存技术)；在页表项中增加标志位：若想访问的页面不在内存中，则产生缺页中断 (内中断/异常) ，然后将目标页面从外存调入内存

4.4.1 两级页表

• 若分为两级页表后，页表依然很长，则可以采用更多级页表，一般来说各级页表的大小不能超过一个页面
• 两级页表的访存次数分析（假设没有快表机构）
  • 第一次访存：访问内存中的页目录表
  • 第二次访存：访问内存中的二级页表
  • 第三次访存：访问目标内存单元

4.4.2 地址变换

• 例题：
  

4.5 基本分段管理

• “分段”与“分页”最大的区别：离散分配时所分配地址空间的基本单位不同
  

4.5.1 分段

• 进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程），每段从0开始编址
• 内存分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻
• 分段系统的逻辑地址结构由**段号（段名）和段内地址（段内偏移量）**所组成
  • 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段
  • 段内地址位数决定了每个段的最大长度是多少

4.5.2 段表

• 段表，为每个进程建立一张段映射表：程序分多个段，各段离散地装入内存，为了保证程序能正常运行，就必须能从物理内存中找到各个逻辑段的存放位置
• 每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始位置（又称“基址”）和段的长度
• 各个段表项的长度是相同的
• 例如：某系统按字节寻址，采用分段存储管理，逻辑地址结构为（段号16位, 段内地址16位），物理内存大小为4GB（可用32位表示整个物理内存地址空间）
  • 用16位即可表示最大段长
  • 每个段表项占 16+32 = 48位，即6B
  • 由于段表项长度相同，因此段号可以是隐含的，不占存储空间
  • 若段表存放的起始地址为 M，则 K号段对应的段表项存放的地址为 M + K*6

4.5.3 地址变换

4.5.4 分段、分页管理的对比

• 分段比分页更容易实现信息的共享和保护
• 不能被修改的代码称为纯代码或可重入代码（不属于临界资源），这样的代码是可以共享的；可修改的代码是不能共享的
• 页是信息的物理单位
  • 分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率
  • 分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的
  • 页的大小固定且由系统决定
• 段是信息的逻辑单位
  • 分页的主要目的是更好地满足用户需求
  • 一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息，分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名
  • 段的长度却不固定，决定于用户编写的程序
• 分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址
• 分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址
• 访问一个逻辑地址需要几次访存？（可以引入快表机构，少一次访问，加快地址变换速度）
  • 分页（单级页表）两次访存：第一次访存——查内存中的页表，第二次访存——访问目标内存单元
  • 分段，两次访存：第一次访存——查内存中的段表，第二次访存——访问目标内存单元

4.6 段页式管理

• 分页管理
  • 优点：内存空间利用率高，不会产生外部碎片 ，只会有少量的页内碎片
  • 缺点：不方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
• 分段管理
  • 优点：很方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
  • 缺点：如果段长过大，为其分配很大的连续空间会很不方便；段式管理会产生外部碎片（“紧凑”技术需要较大的时间代价）

4.6.1 段页式管理 = 分段 + 分页

• 过程
  • 将进程按逻辑模块分段
  • 再将各段分页（如每个页面4KB）
  • 再将内存空间分为大小相同的内存块/页框/页帧/物理块
• 结构
  • 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段
  • 页号位数决定了每个段最大有多少页
  • 页内偏移量决定了页面大小、内存块大小是多少
    

4.6.2 段页式管理的地址变换

• 每个段对应一个段表项，每个段表项由**段号、页表长度、页表存放块号（页表起始地址）**组成；每个段表项长度相等，段号是隐含的
• 每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号、页面存放的内存块号组成；每个页表项长度相等，页号是隐含的。