内存管理（二）——连续分配管理方式

一、概要

在上节中我们已近介绍了，操作系统在内存管理中发挥的两个功能：地址转化、存储保护这节我们着重探讨：内存空间的分配和回收。不妨再来回顾下操作系统在内存管理方面提供了那些功能。

基本概念： 操作系统对内存的划分和动态管理。

带来的好处： 方便用户实用存储器、提高内存利用率、通过虚拟技术从逻辑上扩充内存。

OS提供的功能： ①内存空间的分配和回收 ②地址转化 ③内存扩充 ④存储保护

二、知识扩充

（1）内部碎片、外部碎片？

内部碎片： 已经分配给作业但不能被利用的内存空间
外部碎片： 系统中还没有分配给作业，但是由于碎片太小而无法分配给申请内存空间的新进程的存储块。
通俗讲： 某个作业所占的内存区域如果没有装满，就是内部碎片，而作业与作业之间，如果有内存区域没有分配给某个作业，但是又不能分配给任何作业，就是外部碎片。

（2）交换、覆盖技术？

①覆盖（Overlay）：

历史： 早期的计算机系统，内存空间特别小，有时即使只存放一个作业，但是仍然不能一次全部装入内存。对此，我们引入了覆盖技术。

细说： 由于程序运行时候并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分（尤其是大程序）,因此可把用户空间分成一个固定区和若干覆盖区。常用部分放在固定区（输入后就不在调出，除非运行结束）、不常用功能，在其他程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要用到时装入内存。

例子：

A()//8KB
{
	B();//8KB
	C();//10KB
}
B()//8KB
{
	D();//12KB
}
C()//10KB
{
	E();//4KB
	F();//10KB
}

特点： 打破了必须将一个进程全部信息装入内存后才能运行的限制，但是当同时运行程序的代码量大于主存时仍不能运行，此外，内存中能够更新的地方只有覆盖区的段，不在覆盖区中的段会常驻内存。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（Swapping）：

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)、我们熟知的中级调度就是用的这种技术。
换出、换入： 把处于等待状态（或在CPU调度原则下被剥夺运行权利）的程序从内存移到辅存，把内存空间腾出来。把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存，这一个过程又称换入。
注意：

例子： 一个CPU 采用时间片轮转调度算法的多道程序环境。某一进程时间片到，内存管理器将这一进程换出，将另外一个进程换入刚刚释放的内存空间。同时CPU调度器可以将时间片分配给其他已经在内存中的进程。每个进程用完时间片都与另外一进程交换。理想情况下，内存管理器的交换速度够快，总有进程在内存中可以执行。

③两者比较：

交换技术主要在不同进程之间，而覆盖是同一进程之中。由于覆盖技术要求给出程序段之间的覆盖结构，使得其对用户和程序员不透明，所以对于主存无法存放用户程序的矛盾。现代操作系统是通过虚拟内存技术 来解决的，覆盖技术已经成为了历史；而交换在现代操作系统中任具有较强的生命力。

三、功能三：内存空间的分配和回收——（连续分配管理）

由操作系统完成内存空间的分配和管理，使得程序设计人员摆脱存储空间分配的麻烦，提高编程效率，为此，系统应该记住内存空间的使用情况：实施内存的分配；回收系统或用户释放的内存空间。
连续分配管理顾名思义：为用户分配一块连续的空间。主要有3种方式：①单一连续分配 ②固定分区分配 ③动态分区分配

（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，自然也不需要操作系统提供存储保护。（直接把用户区给整个用户程序）

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

（2）固定分区分配：

简述： 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。当内存当有空闲区时候，便可从外存的后备作业队列中，选择合适大小的作业装入该分区，如此循环。一般采用静态重定位装入内存。

分区说明表： 且为了实现固定分区分配，OS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）。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”。

分区相等： 缺乏灵活性，程序太大时候，一个分区又不足以装入该程序，导致程序无法运行。
分区不等： 可以把内存划分为：多数较小的分区，适量中等大小分区，少数大分区。

优点： a.多道程序系统最简单的存储分配。b.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.程序小于固定空间大小 会产生内部碎片，内存利用率低。
应用： 不能实现多进程共享一个主存区，所以存储空间利用率低。适用于：某些控制多个相同对象的控制系统。（共享是指多进程都使用同一个主存段）

（3）动态分区分配：

简述： 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。

①数据结构：

为了实现动态分区分配，系统中也必须设置相应的数据结构来记录内存的使用情况。常用的数据结构：
1）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。
2）空闲分区链： 用链头指针将内存中的空间分区链接起来，构成空闲分区链。实现办法：每个空闲分区的若干字节用来存放控制信息（前后指针、分区大小等）。

②分区分配过程：

根据上面过程我们发现：动态分区在最开始的时候很好，但是随着时间的推移，内存中会产生越来越多的外部碎片，导致内存利用率随之下降，克服外部碎片，我们可以使用紧凑（Compaction） 技术，但是这需要硬件支持，相对耗时。（紧凑技术相当于Windows系统中的磁盘整理程序，只不过后者是针对外存空间的紧凑。）所以决定内存利用率的关键在于：分配算法

③分区分配算法：

参考cm_cyj_1116的博客
将一个作业存入内存，应按照一定的分配算法从空闲分区表中选。如果选取的空闲分区的容量比作业空间大，那么将该空闲分区的一部分给作业，剩下的部分仍然留在空闲分区中，同时需要修改空闲分区表中的有关信息。那么如何从空闲分区中选择呢？

1）首次适应算法（First Fit）：
空闲分区按照地址递增的次序用链表串成一个队列，每次需要为一个进程分配内存时都从队首开始找。顺着链队列(链式存储的队列)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

优点： 优先利用存储低地址部分的空闲分区，从而保留高地址部分的大的空闲分区。
缺点： a.由于低地址部分不断划分，致使低地址端留下许多难以利用的很小的空闲分区（外部碎片）
b.每次查找又都是从低地址部分开始的（顺序访问），无疑增加了“查找可用空间”的开销。

2）临近适应算法（Next Fit）:
算法思想： 该算法别名：循环首次适应算法，即在首次适应算法的基础上把队列改成循环队列，而不是每次从队首开始找空闲分区，而是从上次找到的空闲分区的下一个分区开始找。
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，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
优点： 使得空闲空间分配更均匀，减少了查找空闲分区的开销。
缺点： 导致缺乏大的空闲分区。

3）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。
算法实现： 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

优点： 总能分配给作业最适合的分区，并且保留大的分区。
缺点： 虽然成为“最佳”，每次最佳分配后会留下很小的难以利用的内存块，会产生最多的外部碎片。

4）最坏适应算法（Worst 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。
算法实现： 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。
优点： 这样使分给作业后剩下的空闲分区比较大，足以装入其他作业。
缺点： 由于最大的空闲分区总是因首先分配而被划分，当有大作业到来时，其存储空间的申请会得不到满足。

④几种算法总结：

科学家Knuth和Shore对FF、BF、WF三种方法对内存空间的利用情况做了模拟实验。

结果： 一般情况而言：FF优于BF优于WF，宁外在算法实现过程中，BF和WF要对可用块进行排序或者遍历查找，而FF和NF，只需要简单的查找。这告诉我们：设计操作系统时候，不仅仅考虑内存利用率，算法的开销也是一个重要因素。

（4）分区的回收：

这个王道书上都没有提到，摘录自天勤，很简单，大概看下就行：

（5）分区的动态管理：

①紧凑技术：

碎片： 是指内存中无法被利用的存储空间。在分区存储管理方式下，系统运行一段时间后，内存中的碎片会占据相当多的数量空间。

紧凑： 将存储器中所有已分配分区移动到主存的一段，使本来分散的多个小空闲区连成一个大的空闲区。这种通过移动把多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法叫做：紧凑。

紧凑时机：
1）某个分区回收时立即进行紧凑，这样在主存中总是只有一个连续的空闲区。但是拼接很费时，紧凑频率会使得系统开销加大。
2）找到不到足够大的空闲分区且总容量可以满足作业要求时进行紧凑，这种方式的频率比上一种方案低得多，但空闲分区的管理稍微复杂一些。

②动态重定位分区分配技术：

动态重定位分区分配算法与动态分区分配算法基本相同。差别在于：这种算法增加了紧凑功能，通常是找不到足够大的空间分区满足作业要求，而系统中空闲分区容量总和大于作业要求进行紧凑。

（6）动态分区分配总结：

优点：
1）实现了多道程序共用主存（共用是指多进程同时存在于主存中的不同位置）；【对比固定分区分配】
2）管理方案相对简单、不需要更多开销；
3）实现存储保护的手段比较简单
缺点：
1）主存利用不够充分，存在外部碎片
2）无法实现多进程共享存储器信息（共享是指多进程都使用同一个主存段）；
3）无法实现主存的扩充，进程地址空间受实际存储空间的限制；【相比虚拟内存】

四、连续分配方式总结