【正文】 第 3章 存儲器管理 ? 內(nèi)存管理概述 （次重點(diǎn)） ? 分區(qū)存儲管理 （次重點(diǎn)） ? 頁式存儲管理 （重點(diǎn)） ? 段式存儲管理 （非重點(diǎn)） ? 段頁式存儲管理 （自學(xué)） 內(nèi)存管理的核心任務(wù) Cache、內(nèi)存、外存三級存儲結(jié)構(gòu) 程序和數(shù)據(jù)的長期保存 程序和數(shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)存才能被處理 緩存一些關(guān)鍵數(shù)據(jù) 如何讓 容量有限的內(nèi)存 被 多任務(wù) 安全高效地 共享 是現(xiàn)代操作系統(tǒng) 內(nèi)存管理的核心任務(wù) ，也是 本章介紹的主要內(nèi)容 。 本章需掌握的知識要點(diǎn) ? 內(nèi)存管理任務(wù) ? 三種內(nèi)存管理方式 ? 兩類算法（內(nèi)存分配、頁面置換） ? 三組區(qū)別 可 重定位動態(tài)分區(qū) 基本分頁 請求分頁 實(shí)存 與 虛存 分頁 與 分段 連續(xù) 與 離散 存儲管理的概念 存儲管理策略的分類 OS本身的程序和數(shù)據(jù)與其他程序一起共享主存，為安全起見，多道程序系統(tǒng)常由 OS把內(nèi)存初始化為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩大部分： 內(nèi)存 系統(tǒng)區(qū)（存放 OS程序和數(shù)據(jù)） 用戶區(qū) （ 存放用戶程序 、 數(shù)據(jù) ） 對 用戶區(qū)內(nèi)存 的管理可采取不同的 策略 ，這些策略可以 按照不同的方法進(jìn)行分類 。 存儲管理策略的分類 1）靜態(tài)劃分及動態(tài)劃分 ? 靜態(tài)劃分： 固定分區(qū)、分頁、段頁式 ? 動態(tài)劃分： 可變分區(qū)、分段、伙伴系統(tǒng) 2）實(shí)存管理與虛存管理 實(shí)存管理 連續(xù)分配 （包括 固定分區(qū) 、 可變分區(qū) 和 伙伴系統(tǒng) ） 實(shí)分頁（ Paging ） 實(shí)分段（ Segmentation ） 虛存管理 請求分頁 (Demand paging) 主流技術(shù) 請求分段 (Demand segmentation) 段頁式（ segmentation with paging ） 離散分配 物理地址和邏輯地址 ? 物理地址 ：存儲單元的地址編號，又稱 絕對地址或?qū)嵉刂? 物理地址的集合稱為 物理地址空間 ? 邏輯地址 ：用戶程序中使用的地址，又稱 相對地址或虛地址 邏輯地址的集合稱為 邏輯地址空間 邏輯地址空間起始地址一般是 0 ? 程序裝入內(nèi)存 時 （ 后 ），必須將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址才能運(yùn)行，一般采用 可重定位方式 ： ? 靜態(tài)重定位 ： 運(yùn)行之前 ，由 裝入程序 完成重定位 ? 動態(tài)重定位 ： 運(yùn)行時， 由 硬件地址變換機(jī)構(gòu) 完成重定位 裝入 Load 1, 1200 3456 1200 物理地址空間 Load 1, data1 data1 3456 源程序 Load 1, 200 3456 0 100 200 編譯 連接 邏輯地址空間 BA=1000 1100 系統(tǒng)采用 靜態(tài) 重定位， 程序裝入內(nèi)存時的示例 （內(nèi)外存副本不一致） ： 裝入 Load 1, 200 3456 1200 物理地址空間 Load 1, data1 data1 3456 源程序 Load 1, 200 3456 0 100 200 編譯 連接 邏輯地址空間 BA=1000 1100 系統(tǒng)采用 動態(tài) 重定位， 程序裝入內(nèi)存時的示例 （內(nèi)外存副本一致） ： 1000 3456 LOAD 1, 200 0 100 200 300 LOAD 1, 200 3456 邏輯地址空間 1100 1200 1300 物理地址空間 200 VR + 1000 BR ??? ??? ??? ??? ??? ??? 運(yùn)行時動態(tài)計(jì)算物理地址 顯然，采用動態(tài)重定位時，程序可在 內(nèi)存中浮動 。 程序的鏈接 ? 程序經(jīng)編譯后，形成一組 目標(biāo)模塊 ，再利用鏈接程序?qū)⑦@組目標(biāo)模塊鏈接成 裝入模塊 （可執(zhí)行文件）。 三種鏈接方式： ? 靜態(tài)鏈接 ? 裝入時動態(tài)鏈接 ? 運(yùn)行時動態(tài)鏈接 存儲管理的功能 （ 1）內(nèi)存空間的分配與回收 ? 記錄內(nèi)存的使用情況 —— 設(shè)置相應(yīng)的內(nèi)存分塊表（內(nèi)存分配回收的依據(jù)） ? 內(nèi)存空間劃分問題？ —— 靜態(tài)或動態(tài)，等長或不等長 ? 確定分配算法 —— 考慮連續(xù)性與離散性，駐留性與交換性，一次性與多次性，靜態(tài)方式與動態(tài)方式 ? 內(nèi)存碎片問題及解決辦法 ? 確定回收策略 （ 2）地址轉(zhuǎn)換 （又稱地址重定位、地址映射） ? 指 為了保證 CPU執(zhí)行指令時可正確訪問存儲單元，需將用戶程序中的 邏輯地址 （相對地址，虛地址） 轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時由機(jī)器直接尋址的 物理地址 （絕對地址，實(shí)地址）的 過程 （ 3）內(nèi)存的共享與保護(hù) ? 進(jìn)程共用相同內(nèi)存區(qū)可節(jié)省空間，便于通信，所共享的代碼應(yīng)為 純代碼 （或者叫 可重入的代碼 ） ? 內(nèi)存保護(hù)限定程序只能訪問自己所在的內(nèi)存區(qū)，保護(hù)了OS和其他程序 —— 常用界限寄存器對法和存取控制字來實(shí)現(xiàn) （ 4）內(nèi)存的擴(kuò)充 ? 常用 覆蓋 、 交換 和 虛擬存儲 技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存的邏輯擴(kuò)充，以使 小內(nèi)存能夠運(yùn)行大程序 存儲管理的功能（續(xù)） 1）覆蓋技術(shù) ? 把內(nèi)存的同一區(qū)域分配給一道程序的的若干個子程序或數(shù)據(jù)段 ? 需要的時候?qū)⑵湔{(diào)入內(nèi)存 2）交換技術(shù) ? 將內(nèi)存中暫時不用的信息交換到外存上 ? 將需要的數(shù)據(jù)從外存調(diào)入內(nèi)存 3）虛擬存儲 —主流技術(shù) ? 通過軟件和硬件技術(shù)把內(nèi)存和外存構(gòu)成一個二級存儲體系 ? 在用戶眼里是一個大容量存儲器（ 速度是內(nèi)存的，容量是外存的 ） ? 也利用了覆蓋和交換技術(shù) 內(nèi)存擴(kuò)充技術(shù) 以時間換空間 覆蓋示意圖 主程序 (30k) 子程序 A(8k) 子程序 B(10k) 子程序 M(20k) 子程序 N(25k) 子程序 X(15k) 主程序（ 30k) 覆蓋區(qū) 1(25k) 覆蓋 區(qū) 0 (10k) 內(nèi) 存 區(qū) 用 戶 的 結(jié) 構(gòu) 化 程 序 區(qū) 存儲管理分類 — 按內(nèi)存劃分策略 ? 分區(qū)式存儲管理： 操作系統(tǒng)對內(nèi)存進(jìn)行分區(qū)，規(guī)定每個分區(qū)只能裝入一個作業(yè)或進(jìn)程。 包括 單一連續(xù)區(qū) 、 固定分區(qū) 和 可變分區(qū) 。 ? 分頁式存儲管理 ：內(nèi)存空間和虛存空間都分成大小相等的頁（如 4k），虛存空間每一頁可以按照某種策略裝入內(nèi)存空間的某一頁。 目前最常用的的內(nèi)存管理方式。 ? 分段式存儲管理 ：內(nèi)存以段為單位進(jìn)行動態(tài)分區(qū)，進(jìn)程的段可以裝入存儲空間的一個分區(qū)。 便于編程及程序共享 ? 段頁式存儲管理 ：結(jié)合段式和頁式優(yōu)點(diǎn)，先對進(jìn)程空間分段，再對每個段進(jìn)行分頁。 開銷比較大，適用于大型系統(tǒng)。 分區(qū)式存儲管理 ——早期的一類 實(shí)存 管理技術(shù) 系統(tǒng)給每個作業(yè)或進(jìn)程分配一個 連續(xù) 的內(nèi)存分 區(qū) 。 ? 單一連續(xù)區(qū)分配（靜態(tài)分區(qū)技術(shù)） ? 固定分區(qū)分配 （ 靜態(tài)分區(qū) 技術(shù)） ? 可變分區(qū)分配（動態(tài)分區(qū)技術(shù)） ? 可重定位分區(qū)分配 （ 動態(tài)分區(qū) 技術(shù)） ? 伙伴系統(tǒng) （ 動態(tài)分區(qū) 技術(shù)） 1. 單一連續(xù)區(qū)存儲管理 系統(tǒng) 靜態(tài)地 將內(nèi)存劃分為兩個區(qū)域： ? 一個供操作系統(tǒng)使用 ? 一個供用戶使用，且每次只能裝入一個作業(yè)或進(jìn)程 適用于單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)。 操作系統(tǒng) 用戶程序 0xFFF... 0 系統(tǒng) 預(yù)先 把可分配的內(nèi)存空間分割成 若干個連續(xù)區(qū)域 ，每一區(qū)域稱為分區(qū)，每個分區(qū)的大小可以相同也可以不同，分區(qū)的個數(shù)與大小固定不變， 每個分區(qū)每次只能裝一個作業(yè) 。 2. 固定分區(qū)存儲管理 ——單一連續(xù)區(qū)在多道程序系統(tǒng)中的直接應(yīng)用 OS 0 a b c d job2 空 內(nèi)存 當(dāng)前運(yùn)行作 業(yè)所在分區(qū) 下限寄存器 上限寄存器 2 b c CPU job3 設(shè)置“主存分配表”，來管理主存空間的使用 1）主存空間分配與釋放 區(qū)號 起始地址 長度 (KB) 占用標(biāo)志 1 a S1 0 2 b S2 Job2 3 c S3 Job3 三個分區(qū)的主存分配表 主存分配： 尋找沒被占用且長度滿足進(jìn)程要求的分區(qū)。 典型如順序分配法。 主存釋放： 更改主存分配