11 操作系统第三章 内存管理 内存的基本知识 内存管理 内存空间扩充 连续分配管理方式
文章目录
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- 1 内存概念
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- 1.1 内存作用
- 1.2 逻辑地址VS物理地址
- 1.3 装入的三种方式
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- 1.3.1 绝对装入
- 1.3.2 可重定位装入
- 1.3.3 动态重定位装入
- 1.4 链接的三种方式
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- 1.4.1 静态链接
- 1.4.2 装入时动态链接
- 1.4.3 运行时动态链接
- 1.5 内存的基础知识小结
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- 2 内存管理
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- 2.1 内存管理的任务
- 2.2 内存保护的两种方法
- 2.3 内存管理小结
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- 3 内存空间扩充
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- 3.1 内存空间扩充之覆盖技术
- 3.2 内存空间扩充之交换技术
- 3.3 覆盖与交换技术小结
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- 4 内存空间分配
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- 4.1 单一连续分配
- 4.2 固定分区分配
- 4.3 动态分区分配
- 4.4 连续分配管理小结
- 4.5 动态分区分配算法
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- 4.5.1 首次适应算法
- 4.5.2 最佳适应算法
- 4.5.3 最坏（大）适应算法
- 4.5.4 邻近适应算法
- 4.5.5 动态分区分配算法小结
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1 内存概念
1.1 内存作用
内存可存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理一一缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾
思考：在多道程序环境下，系统中会有多个程序并发执行，也就是说会有多个程序的数据需要同时放到内存中。那么，如何区分各个程序的数据是放在什么地方的呢？
方案：给内存的存储单元编地址
内存地址相当于酒店旅馆中的小房间，酒店管理者为了便于管理每个房间，采取给每个房间编号
内存中也有一个一个的“小房间”，每个小房间就是一 个“存储单元”
如果计算机“按字节编址”， 则每个存储单元大小为1字节，即1B，即8个二进制位
如果字长为16位的计算机 “按字编址”，则每个存储单元大小为1个字；每个字的大小为16个二进制位
存储单元大小由计算机按字编址还是按字节编址来确定
一台手机/电脑有4GB内存，是指该内存中可以存放4X2 30个字节。
如果是按字节编址的 话，也就是有4X2 30=232个“小房间”
这么多“小房间”，需要232个地址才能一一标识，所以地址需要用32个二进制位来表示（0~232-1）
210=1K （千）
220=1M （兆，百万）
230=1G （十亿，千兆）
可以通过内存的大小，让我们确定地址长度应该是多少（即要多少个二进制位才能表示相应数目的存储单元）
1.2 逻辑地址VS物理地址
实际生活中的例子：
宿舍四个人一起出去旅行，四个人的学号尾号分别是0、1、2、3。
住酒店时酒店给你们安排了4个房号相连的房间。四个人按学号递增次序入住房间。比如0、1、2、3号同学分别入住了5、6、7、8号房间。
四个人的编号0、1、2、3其实是一个“相对位置”，而各自入住的房间号是一个“绝对位置”。
只要知道0号同学住的是房号为N的房间，那么M号同学的房号一定是
N+M。
指令中的地址也可以采用这种思想。编译时产生的指令只关心“相对地址”，实际放入内存中时再想办法根据起始位置得到“绝对地址”。
相对地址又称逻辑地址，绝对地址又称物理地址。
从写程序到程序运行：
- 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
程序经过编译、链接后生成的指令中指明的是逻辑地址（相对地址），即：相对于进程的起始地址而言的地址
如何将指令中的逻辑地址转换为物理地址？
策略：三种装入方式
- 绝对装入
- 可重定位装入（静态重定位）
- 动态运行时装入（动态重定位）
1.3 装入的三种方式
1.3.1 绝对装入
绝对装入：在编译时，如果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。
编译、链接后得到的装入模块的指令直接就使用了绝对地址。
绝对装入只适用于单道程序环境。 程序中使用的绝对地址，可在编译或汇编时给出，也可由程序 员直接赋予。通常情况下都是编译或汇编时再转换为绝对地址。
1.3.2 可重定位装入
静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可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）。
静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，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。
1.3.3 动态重定位装入
动态重定位：又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。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。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。
1.4 链接的三种方式
1.4.1 静态链接
- 静态链接：在程序运行之前， 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。
1.4.2 装入时动态链接
- 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。
1.4.3 运行时动态链接
- 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。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
1.5 内存的基础知识小结
2 内存管理
2.1 内存管理的任务
操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，要管些什么呢？
1.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
游戏GTA的大小超过60GB，按理来说这个游戏程序运行之前需要把60GB数据全部放入内存。然而，实际我的电脑内存才12GB，但为什么这个游戏可以顺利运行呢？
——虚拟技术（操作系统的虚拟性）
- 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
为了使编程更方便，程序员写程序时应该只需要关注指令、数据的逻辑地址。而逻辑地址到物理地址的转换（这个过程称为地址重定位）应该由操作系统负责，这样就保证了程序员写程序时不需要关注物理内存的实际情况。
三种装入方式实现逻辑地址与物理地址的转换：
- 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
使得各个进程只能访问自己的内存空间
2.2 内存保护的两种方法
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。
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。
2.3 内存管理小结
3 内存空间扩充
3.1 内存空间扩充之覆盖技术
引入覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题
覆盖技术的思想：
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，调入后就不再调出（除非运行结束）
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
由图可见，未使用覆盖技术时，程序执行需要使用
8K+8K+10K+12K+4K+10K=52K的内存空间
采用覆盖技术后，需要8K+10K+12K=30K的内存空间
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。 覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。
3.2 内存空间扩充之交换技术
交换（对换）技术的设计思想：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）
暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）
挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
.
中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
交换技术面临的问题：
- 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？
- 什么时候应该交换？
- 应该换出哪些进程？
- 具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。
（1）文件区主要用于存放文件，主要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；
（2）对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式。
（3）总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
- 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。
例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程； 如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
- 可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为了防止优先级低的进程在被调 入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间…
注意：虽然交换技术会将内存中某些进程暂时换出外存，但进程的PCB会常驻内存，不会被换出外存
3.3 覆盖与交换技术小结
4 内存空间分配
内存空间分配可分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式
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
4.1 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。
单一连续分配 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。
4.2 固定分区分配
20世纪60年代出现了支持多道程序的系统，为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将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，这样就形成了最早的、最 简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。
固定分区分配可分为分区大小相等、分区.大小不等两种类型
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（比如：钢铁厂有n个相 同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放 n个炼钢炉控制程序）
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）
操作系统需要建立一个数据结构——分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的 大小、起始地址、状态（是否已分配）。
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 8 | 未分配 |
| 2 | 2 | 10 | 未分配 |
| 3 | 4 | 12 | 已分配 |
| ······· | ······· | ······· | ······· |
- 用数据结构 的数组（或 链表）即可 表示这个表
当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表， 从中找到一个能满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状 态为“已分配”。
优点：实现简单，无外部碎片。
缺点：a.当用户程序太大时，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； b.会产生内部碎片，内存利用率低。
4.3 动态分区分配
动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，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。
动态分区分配核心问题：
1.系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？
2.当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
3.如何进行分区的分配与回收操作？
- 系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？
两种常用的数据结构：空闲分区表和空闲分区链
每一时刻系统分配如下：
采用空闲分区表：
空闲分区表：每 个空闲分区对应 一个表项。表项 中包含分区号、 分区大小、分区 起始地址等信息
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 8 | 空闲 |
| 2 | 10 | 32 | 空闲 |
| 3 | 4 | 60 | 空闲 |
空闲分区链：
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
- 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
现有进程5(4MB)调入内存，应该用最大的分区进行分配？还是用最小的分区进行分配？又或是用地址最低的部分进行分配？
把一个新作业装入内存时，须按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表（或空闲分区链）中选出一个分区分配给该作业。
- 如何进行分区的分配与回收操作？ 假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”… 如 何 分 配 ？
情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区
此时分区表是
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 10 | 32 | 空闲 |
| 2 | 4 | 60 | 空闲 |
假设此时进程4运行结束，将进程4占用的4M内存空间回收，而后面有一块10M的相邻空闲区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 14 | 28 | 空闲 |
| 2 | 4 | 60 | 空闲 |
两个相邻的空闲分区合并为一个
情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 8 | 空闲 |
| 2 | 10 | 32 | 空闲 |
假设此时进程3运行结束，将进程3占用的18M内存空间回收，而前面有一块10M的相邻空闲区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 8 | 空闲 |
| 2 | 28 | 32 | 空闲 |
两个相邻的空闲分区合并为一个
情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 | 8 | 空闲 |
| 2 | 10 | 32 | 空闲 |
| 3 | 4 | 60 | 空闲 |
假设此时进程4运行结束，将进程4占用的4M内存空间回收，而后面有一块10M的相邻空闲区，前面有一块20M的内存空间
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 34 | 8 | 空闲 |
| 2 | 4 | 60 | 空闲 |
三个相邻的空闲分区合并为一个
情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 60 | 空闲 |
假设此时进程2运行结束，将进程2占用的14M内存空间回收，而后面有一块4M的不相邻空闲区
此时空闲分区表：
| 分区号 | 大小（MB） | 起始地址（M） | 状态 |
|---|---|---|---|
| 1 | 14 | 28 | 空闲 |
| 2 | 4 | 60 | 空闲 |
注：各表项的顺序不一定按照地址递增顺序排列，具体的排列方式需要依据动态分区分配算法来确定。
动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，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。
动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。
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，是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。
如果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。
进程1如何分配内存空间？
紧凑法挪位
从而就可以将进程1调入内存
4.4 连续分配管理小结
4.5 动态分区分配算法
动态分区分配算法解决的问题：
在动态分区分配方式中， 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
4.5.1 首次适应算法
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。
如何实现：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。
4.5.2 最佳适应算法
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。
如何实现：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。因此这种方法会产生很多的外部碎片
4.5.3 最坏（大）适应算法
算法思想：为了解决最佳适应算法的问题——即留下太多难以利用的小碎片，可以在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：每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的 空闲区更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲区被 迅速用完。如果之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用了。
4.5.4 邻近适应算法
算法思想：首次适应算法每次都从链头开始查找的。这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，因此也增加了查找的开销。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。
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。 但是这种规则也决定了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，也会更有可能把高地址部分的大分区保留下来（最佳适应算法的优点）
邻近适应算法的规则可能会导致无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用，也就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（最大适应算法的缺点）
综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好
4.5.5 动态分区分配算法小结
