3.1操作系统（内存管理的概念 分配与回收 空间的扩充）

目录

一.内存

1.什么是内存？有何作用？

几个常用的数量单位

2.进程运行的基本原理

1. 指令的工作原理

2.逻辑地址vs物理地址

3.从写程序到程序运行

4.装入的三种方式

1.绝对装入

2. 可重定位装入（静态重定位）

3. 动态运行时装入（动态重定位）

5.链接的三种方式

1. 静态链接

 2. 装入时动态链接

 3. 运行时动态链接

二、内存管理的概念

 1.内存空间的分配与回收

1.单一连续分配

 2. 固定分区分配

3. 动态分区分配

 （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？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何分配？

（4） 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”…如何回收？

4.动态分区分配算法

1. 首次适应算法

2.最佳适应算法

3.最坏适应算法

4.邻近适应算法

2.内存空间的扩充

1.覆盖技术

2.交换技术

3.地址转换

4.内存保护 

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一.内存

1.什么是内存？有何作用？

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——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾

几个常用的数量单位

注：有的题目会告诉我们内存的大小，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)

2.进程运行的基本原理
 

1. 指令的工作原理

 

 指令的工作基于“地址”。每个地址对应一个数据的存储单元

可见，我们写的代码要翻译成CPU能识别的指令。这些指令会告诉CPU应该去内存的哪个地址读/写数据，这个数据应该做什么样的处理。在这个例子中，我们默认让这个进程的相关内容从地址#0开始连续存放，指令中的地址参数直接给出了变量 x 的实际存放地址（物理地址）。

思考：如果这个进程不是从地址#0 开始存放的，会影响指令的正常执行吗？

2.逻辑地址vs物理地址

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。
也就是说，只要知道各个同学的“相对位置”和“起始房号”，就一定可以算出所有同学的“绝对位置”

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”。

Eg:编译时只需确定变量x存放的相对地址是100(也就是说相对于进程在内存中的起始地址而言的地址)。CPU想要找到x在内存中的实际存放位置，只需要用进程的起始地址+100即可。

相对地址又称逻辑地址，绝对地址又称物理地址。

3.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

 下面此图   物理地址  一开始从0开始的

  下面此图   物理地址  一开始从100开始的，如果直接存入79中就会出现错误

4.装入的三种方式

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。

 

2. 可重定位装入（静态重定位）

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）。

3. 动态运行时装入（动态重定位）

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。

 

5.链接的三种方式

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。

 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

 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。

二、内存管理的概念

 1.内存空间的分配与回收

 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。

1.单一连续分配

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• 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。 【分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，就是“内部碎片”】

 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。

​

• 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）

 

• 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。

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。（eg：假设某计算机内存大小为 64MB，系统区 8MB，用户区共 56 MB…）

 （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？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何分配？

分配到20MB空间里面：

 

 

 分配到4MB空间里面：

 

（4） 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”…如何回收？

• 情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区

•  情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区

•  情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区

•  情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区

 

• 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。

4.动态分区分配算法

动态分区分配算法：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？

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。

 

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。

3.最坏适应算法

• 又称最大适应算法（Largest Fit）
• 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.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

2.内存空间的扩充

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1.覆盖技术

早期的计算机内存很小，比如 IBM 推出的第一台PC机最大只支持 1MB 大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。

后来人们引入了 覆盖技术，用来解决 “程序大小超过物理内存总和”的问题

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• 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

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 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。

2.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）

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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

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1. 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？

• 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。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；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（学过文件管理章节后即可理解）。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。

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2. 什么时候应该交换？

• 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。

3. 应该换出哪些进程？

• 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：PCB 会常驻内存，不会被换出外存）

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3.地址转换

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4.内存保护 

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

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