操作系统-内存管理（覆盖与交换技术，内存空间的分配与回收（连续分配方式管理方式））
文章目录
- 1. 覆盖技术
- 2. 交换技术
- 3. 内存空间的分配与回收
-
- 连续分配方式
- 动态分区分配算法
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
基本思想：
- 将程序分成多段，常用的段放入内存中，不常用的段在需要时放入内存中。
- 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)
- 不常用的段放入覆盖区，需要的时候调入，不需要的时候调出。
按照自身逻辑，将不可能同时访问的程序段共享一个覆盖区，覆盖区的大小以大的为准。
缺点：
- 对用户不透明，需要用户声明覆盖结构，提高了编程负担。
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)
如果进程被换出内存，操作系统会将这个进程的PCB保存到内存的挂起队列上。
这个进程称为挂起状态。
如果这个进程是从就绪态被挂起的，那么它的状态为就绪挂起态。
同理，如果这个进程是阻塞态被挂起的，那么它的状态为阻塞挂起状态。
需要注意的是
- 磁盘外存虽然速度比内存慢，但是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。对换区的IO速度比文件区的速度快
- 交换操作发生在多进程条件下，内存吃紧时，为了减少系统内存开销，这时采用交换策略缓解。
- 针对换出进程策略：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…
每个进程PCB都是常驻内存的，不会被换出
3. 内存空间的分配与回收
连续分配方式
首先：连续分配方式的内存空间分配与回收给每个进程分配的内存空间是连续的。
单一连续分配方式：
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
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。
固定分区分配：
为了支持多道程序的情况，这里选择将用户区分成多个区域，每个区域只装入一道作业。这样就实现了最简单的可运行的多道程序内存管理方式
固定分区分配分成两种:
- 分区大小相同：缺乏灵活性，适合多个相同的对象处理情况。
- 分区大小不同：可以满足大小不同的作业的情况
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）。
优点：
- 简单，无外部碎片。
缺点:
- 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;
- 会产生内部碎片，内存利用率低。
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可以改变
操作系统一般使用两种数据结构来记录内存使用情况：
- 空闲分区表
- 空闲分区链
这两种分区包含中需要包含分区号、分区大小、分区起始地址等信息
此外这里又引入了动态内存分配算法，因为这里涉及到需要系统选择内存空间分配给进程的策略。这里在下面进行详细学习。
分配的内存在进程结束后，需要进行回收。
- 回收后需要将相邻的空闲需要进行内存进行合并。
- 如果回收后没有空余的内存，直接新添加一个记录项
内部碎片：分配给某进程的内存区域中，没有用上的部分。
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的空间。
可以采用紧凑技术解决外部碎片（动态重定位）。（重新分配所有进程的空间）
优点：
- 无内部碎片，外部碎片可以通过紧凑技术解决。
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。
首次适应算法：
在进行内存分配时：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。
思路：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。
优点：
综合效率最高，回收分区后不需要对空闲分区进行重排序。
最佳适应算法：
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。因此为了保证当需要内存空间大的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。
思路：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。
优点：
会有更多的大分区被保留下来，更能满足大进程需求
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。
最坏适应算法：
最坏适应算法的思路与最好适应算法相反。
为了避免最好适应算法产生的大量内存碎片，在分配内存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。
思路：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。
优点：
可以减少难以利用的小碎片
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。如果之后有申请大空间的进程到达，就没有内存分区可用了。
邻近适应算法：
类似于首次适应算法，但是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。
思路：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。
优点：
不用每次都从低地址的小分区开始检索。算法开销小
缺点：
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（最坏适应算法的缺点)