操作系统 内存管理概念和连续分配方式

前言

本文梳理内存管理相关概念：

• 内存空间的扩充
  覆盖技术
  交换技术
  虚拟存储技术(下篇介绍)

• 内存空间的分配与回收

  • 连续分配方式

    1. 单一连续分配
    2. 固定分区分配
    3. 动态分区分配

  • 非连续分配方式(下篇介绍)

    1. 基本分页存储管理
    2. 基本分段存储管理
    3. 段页式存储管理

内存管理的概念

地址转换

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。
操作系统在可执行文件装入内存时进行地址转换，参考三种转入方式。

存储保护

操作系统需要内存保护功能，保证各个进程在各自地址空间内运行，互补干扰

• 方式一：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；
• 方式二：采用重定位寄存器(基址寄存器)和界地址寄存器(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地址，界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址；

内存空间的扩充

• 操作系统使用如下三种技术技术从逻辑上对对内存空间进行扩充
  覆盖技术
  交换技术
  虚拟存储技术

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。
该技术只用于早期的操作系统，现在已成为历史。

• 覆盖技术的思想：
  将程序分为多个段，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；

• 缺点：
  必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖；对用户不透明，增加了用户编程负担。

交换技术

• 交换技术的思想：
  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)。

• CPU调度中级调度就是交换技术实现的。

• 应该在磁盘的什么位置保存被换出的进程？
  通常把磁盘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，因此对换区空间的管理采用连续分配方式，
  对换区的IO速度比文件区更快；

• 应该什么时候进行交换？
  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。

• 应该换出那些进程？
  可以优先换出阻塞进程、可优先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…

虚拟存储技术

之后单独写文章梳理。

内存空间的分配与回收

内存空间的分配分为两种方式：连续分配方式和非连续分配方式

• 内部碎片：
  是指分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，就是内存碎片；

• 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；

连续分配方式

连续分配：是为用户进程分配的内存必须是一个连续的内存空间；

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地地址部分，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；
  有内部碎片；
  存储器利用率极低；

• 如图所示：
  

固定分区分配

为了能在内存中装入多道程序，且这些程序直接不会相互干扰，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。

• 固定分区分配方式又有两种分配方式：
  分区大小相等、分区大小不等；

  1. 分区大小相等：
     缺乏灵活性，但适合用于一台计算机控制控制多个相同对象的场合；

  2. 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。

• 分区说明表
  操作系统需要建立一个分区说明表这样的一个数据结构，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、是否已分配。
  当用户程序要要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检测该表，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，然后修改分区说明表。
  

• 优点：
  实现简单、无外部碎片；

• 缺点：
  当用户程序太大时，可能所有分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，会降低系统性能；
  会产生内存碎片，内存利用率低。

动态分区分配

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的建立分区，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；
又称为可变分区分配。

• 用空闲分区表或者空闲分区链来记录内存的使用情况。
  

• 内存回收时，如果有相邻的内存分区，则会合并为一个，并修改内存分区表；

• 动态内存分没有内部碎片，但是有外部碎片；

• 紧凑技术
  如果内存中的空闲空间总和本来可以满足某进程的要求，但是由于进程需要的是一整块连线的内存空间，此时可以通过紧凑技术来解决这种外部碎片的问题。
  将各个已经分配的内存分区紧凑在一块，剩出一大块完整的地址，以满足新进程的内存。

• 动态分区分配算法
  当把一个新的进程装入内存时，按照动态分区分配算法，从空闲分区表中选出一个分区分配给该作业。
  

非连续分配方式

• 连续分配方式的缺点：
  固定分区分配：缺乏灵活性，会产生大量内存碎片，内存的利用率极低。
  动态分区分配：会产生很多外部碎片，虽然可以用紧凑技术来处理，但是紧凑的时间代价很高。

• 非连续分配
  如果可以将一个进程分散的装入到许多不相邻的分区中，便可以充分的利用内存，而无需再进行紧凑。于是变产生了非连续分配方式。
  连续分配：为用户进程分配的是一个连续的内存空间；
  非连续分配：为用户进程分配的是一些分散的内存空间；

• 下面会单独写文章整理这块，比较重要。