计算机操作系统重点概念整理-第四章 内存管理【期末复习|考研复习】

第四章 内存管理【期末复习|考研复习】

系列文章传送门：
第一章 计算机系统概述
第二章 进程管理
第三章 进程同步
第四章 内存管理
第五章 文件管理
第六章 输出输出I/O管理

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前言

给大家整理了一下计算机操作系统中的中重点概念，以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机操作系统和西电的计算机操作系统。

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四、内存管理

4.1 内存管理概念

内存管理管理：1、内存空间的分配和回收。2、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。3、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。4、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。

4.1.1 基本原理和要求

程序的装入和链接：编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个模块。链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块及所需的库函数链接在一起形成一个完整的装入模块，即形成完整的逻辑地址。装入：由装入程序将装入模块装入内存中运行，装入后形成物理地址。
程序链接三种方式：静态链接、装入时动态链接、运行时动态链接。内存的装入模块也有3种方式：绝对装入（编译时产生绝对地址）、可重定位装入（装入时将逻辑地址转换为物理地址）、 动态运行时装入（运行时将逻辑地址转换为物理地址，需要设置重定位寄存器）。
内存保护有两种方法：1、在CPU中设置上下限寄存器。2、采用重定位计算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，界地址寄存器放的时进程的最大逻辑地址。

4.1.2 交换技术

PCB会常驻内存，不会被换出外存。
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）。之前讲的中级调度（内存调度）就是为这个服务的。
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。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。

4.2 连续分配管理方式

内存空间与分配与回收：分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式。非连续分配管理方式分为基本分页存储管理、基本分段存储管理和段页式存储管理。
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，可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术来解决外部碎片。
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。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：将整个用户空间划分为若干个固定的大小分区，每个分区中只装入一道作业。固定分区分配分为分区大小相等和分区大小不等。大小相等缺乏灵活性但适合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满足不同大小的进程的需求。固定分区分配的优点实现简单，无外部碎片。缺点：当用户程序太大的时所有分区都可能不满足要， 因此不得不采取覆盖技术，并且会产生内部碎片内存利用率低。

4.2.1 动态分区分配

4.3 非连续分配管理方式

4.3.1 基本分页存储管理

基本分页存储管理的思想：把内存分为一个个相等的小分区,再按照分区大小把进程拆分成一个个小部分。将内存空间分为一个个大小相等的分区（比如:每个分区4KB），每个分区就是一个“页框”，或称“页帧”、“内存块”、“物理块”。每个页框有一个编号，即“页框号”(或者“内存块号”、“页帧号”、“物理块号”)页框号从0开始。将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域，称为“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。
地址结构包括2个部分：页号和页内偏移量。为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，他记录页面在内存中对应的物理块，页表一般存放在内存中。列表项与地址都是由两部分构成，第一部分都是页号，而页表项的第二部分是物理内存中的块号，地址的第二部分是页内偏移量。页表项的第二部分与地址的第二部分共同构成物理地址，页表的作用是实现从页号到物理块的地址映射。
操作系统实现逻辑地址到物理地址的转换：1、要算出逻辑地址对应的页号。2、要知道该页号对应页面在内存中的起始地址。3、要算出逻辑地址在页面内的“偏移量”。4、物理地址 = 页面始址＋页内偏移量。（1、页号=逻辑地址/页面长度(取除法的整数部分)。2、页内偏移量 = 逻辑地址%页面长度（取除法的余数部分)。3、页面在内存中的起始位置:操作系统需要用某种数据结构记录进程各个页面的起始位置。）

4.3.2 基本地址转换机构

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。

4.3.3 具有快表的地址变换机构

快表，又称联想寄存器（TLB），是一种访问速度比内存快很多的高速缓冲存储器，用来存放当前访问的若干页表项，以加速地址变换的过程。与此对应，内存中的页表常称为慢表。

4.3.4 两级页表

N级页表访问一个逻辑地址需要N+1次访问内存。

4.3.5 基本分段存储管理方式

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。
段表：内存为每个进程建立一张段映射表，简称段表。每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始地位和段的长度，每个段表项的长度是相同的。

4.3.6 分段，分页对比

1、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。段是信息的逻辑单位。分段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。2、页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编写的程序。3、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。4、分段比分页更容易实现信息的共享和保护。

4.3.7 段页式管理的逻辑结构

段页式系统的逻辑地址结构由段号、页号、页内地址组成。段号的位数决定了每个进程最多可以分几段，页号的位数决定了每个段有多少页，页内偏移量决定了页面大小、内存块的大小。每个段表项长度是相同的，段号是隐藏的，每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号、页面存放的内存块组成，每个页表项的长度是相等的，页号是隐藏的。

4.4 虚拟内存管理

4.4.1 传统内存的特征和缺点

一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。问题：1、作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行；2、当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。

4.4.2 虚拟内存的定义和特征

虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU寻址范围）确定的。虚拟内存的实际容量= min{内存和外存容量之和，CPU寻址范围}。32位计算机地址结构为4GB。
特征：多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。
虚拟内存实现有3种方式：请求分页存储管理、请求分段存储管理、请求段页式存储管理。无论哪种方式都需要一定的硬件支持：包括一定容量的内存与外存；页表机制、段表机制作为主要的数据结构；中断机制：当用户程序要访问的部分会调入内存时产生中断；地址转换机构逻辑地址到物理地址的转换。

4.5 请求分页管理方式

4.5.1 页表机制

4.5.2 缺页中断机制

在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断。此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列。如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项。如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存。未修改过的页面不用写回外存.缺页中断是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断。

4.5.3 地址变换

1、只有“写指令”才需要修改“修改位”。并且，一般来说只需修改快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表。这样可以减少访存次数。2、和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留CPU现场。3、需要用某种“页面置换算法”来决定一个换出页面。4、换入/换出页面都需要启动慢速的I/O操作，如果换入/换出太频繁，会有很大的开销。5、页面调入内存后，需要修改慢表，同时也需要将表项复制到快表中。

4.6页面置换算法

4.6.1 最佳置换算法

最佳置换算法（OPT，Optimal）：每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率。操作系统无法提前预判页面访问序列。因此，最佳置换算法是无法实现的。

4.6.2 先进先出置换算法

先进先出置换算法（FIFO）：每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面。实现方法:把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。Belady异常―一当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。只有FIFO算法会产生Belady异常。算法性能差。

4.6.3 最近最久未使用算法

最近最久未使用置换算法（LRU，least recently used）：每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面。实现方法:赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中t值最大的，即最近最久未使用的页面。

4.6.4 时钟置换算法

时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法，又称CLOCK算法，或最近未用算法(NRU，NotRecently Used）。简单的CLOCK 算法实现方法:为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)。

4.6.5 改进型的时钟置换算法

简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行I/O操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。算法规则: 将所有可能被置换的页面排成一个循环队列。第一轮:从当前位置开始扫描到第一个（0，0）（没访问，没修改）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。第二轮:若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）（没访问，但修改）的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0。第三轮:若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(0，0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。第四轮:若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描。

4.6.6 五种算法对比

4.7 页面分配策略

4.7.1 驻留集分配策略

驻留集:指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。对于驻留器的分配当代操作系统通常采用3种策略：
1、固定分配局部置换:系统为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面。2、可变分配全局置换:刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列。当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分配给该进程;若已无空闲物理块，则可选择一个未锁定的页面换出外存，再将该物理块分配给缺页的进程。采用这种策略时，只要某进程发生缺页都将获的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页可能是进程中任意一个进程的页，因此被选中的这个进程物理块会减少，缺页率会增加。3、可变分配局部置换： 刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块，当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个换出外存。如果进程在运行中频繁地缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋势适当，反之，如果进程在运行中缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。（可变分配全局置换:只要缺页就给分配新物理块；可变分配局部置换:要根据发生缺页的频率来动态地增加或减少进程的物理块）。

4.7.2 调入页面的时机

存在两种策略：1、预调页策略:根据局部性原理（主要是空间局部性），一次调入若干个相邻的页面可能比一次调入一个页面更高效。主要用于进程的首次调用。它是运行前调入。2、请求调页策略:进程在运行期间发现缺页时才将所缺页面调入内存。由这种策略调入的页面一定会被访问到，但由于每次只能调入一页，而每次调页都要磁盘I/O操作，因此I/O开销较大。它是运行时调入。

4.7.3 从何处调入页面

存在三种策略：1、系统拥有足够的对换区空间:页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。2、系统缺少足够的对换区空间:凡是不会被修改的数据都直接从文件区调入，由于这些页面不会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。3、UNIX方式:运行之前进程有关的数据全部放在文件区，故未使用过的页面，都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换区，下次需要时从对换区调入。

4.8 抖动、工作集

刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动，或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够)。
驻留集:指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合。工作集:指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。一般来说，驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页。