操作系统—内存管理

操作系统—内存管理

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/qq_51173747/article/details/145503694

操作系统中的内存管理是确保程序正确执行的关键环节。本文将详细介绍内存管理的目的、程序的链接与装入过程、逻辑地址与物理地址的区别、内存保护机制以及连续分配管理方式等核心概念。

补充知识

• 210B=1K；220B=1M；230B=1G
• 4GB=4*230个字节=232个地址
• 1B=1字节=8位=8b

内存管理的目的：①方便用户；②提高内存利用率

内存：存放数据 —— 程序执行前需先放到内存中才能被CPU处理

存储单元：用于存放数据的最小单元

1.程序的链接与装入

源代码
*.c
→编译→目标模块
*.o
→链接→ 可执行文件/装入模块（完整的逻辑地址）
*.exe
→装入→ 内存（物理地址）

• 编译：源代码→目标模块
• 链接：目标模块+所需的库函数→完整的装入模块（完整的逻辑地址）
• 装入：将装入模块装入内存运行（物理地址）

程序的链接：把 各个目标模块的逻辑地址 组合形成 完整的逻辑地址

• 程序链接
  把各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开

装入时动态链接（边装入边链接）—— 优点：便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享

运行时动态链接：对于某些目标模块，只有在程序执行时需要该目标模块时才进行链接 ——优点：加快程序的装入过程，节省大量内存空间

内存的装入：逻辑地址 → 物理地址

• 绝对装入：只适用于 单道程序环境。在编译时，将产生绝对地址的目标代码
• 可重定位装入（静态重定位）：适用 多道程序环境。
  必须给装入内存的作业分配要求的全部连续内存空间；作业一旦进入内存，整个运行期间就不能在内存中移动

重定位：在装入时对目标程序中指令和数据地址的修改过程
静态重定位：地址变换通常是在进程装入时一次完成的

• 动态运行时装入（动态重定位）
  把地址转换推迟到程序真正要执行时才开始——需要重定位寄存器（存放装入模存放的起始地址）的支持
  优点：①允许程序在内存中发生移动；②将程序分配到不连续的存储区；③在程序运行前可以只装入部分代码即可投入运行，在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存；④便于程序段的共享

补充知识

可重入程序通过【减少对换数量】来改善系统性能的

2.逻辑地址与物理地址

• 相对地址 / 逻辑地址：编译后，每个目标模块都从0号单元开始编址（相对于进程的起始地址而言的地址）
• 逻辑地址空间 / 虚拟地址空间：当链接程序将各个模块链接成一个完整的可执行目标模块时，链接程序顺序依次按各个模块的相对地址构成统一的从0号单元开始编址
• 物理地址空间：内存中物理单元的集合，是地址转换的最终地址
• 地址重定位：将逻辑地址转换成物理地址
  加快虚实地址转换：增大快表TLB容量；让页表常驻内存

3.内存保护

1. 在CPU中 设置一对上、下限寄存器。存放用户作业在主存中的下限和上限地址（每当CPU要访问一个地址时，分别和两个寄存器的值相比，判断有无越界）
2. 采用重定位寄存器（基地址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）
   重定位寄存器（“加”）：存放 进程的起始物理地址。即含最小的物理地址值
   界地址寄存器（“比”）：存放 进程的最大逻辑地址。即含逻辑地址的最大值
   注：①若未发生地址越界，则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址，再送交内存单元
   ②加载重定位寄存器和界地址寄存器时必须使用特权指令，只有操作系统内核才可以加载这两个存储器——不允许用户程序修改这两个寄存器的值
   ③整个系统设置一个重定位寄存器

4.覆盖与交换 ——扩充内存 ——了解即可

①覆盖

1. 解决：程序大小 > 物理内存总和
2. 用户空间：固定区 和 若干覆盖区
3. 固定区：存放经常活跃的部分
4. 覆盖区：存放即将要访问的段 ——其他段放在外存，只有在需要调用前，系统才将其调入覆盖区，替换覆盖区原有的段
5. 对用户和程序员不透明

②交换

1. 换出：把处于等待状态的程序从内存移到辅存
2. 换入：把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存
3. 优先换出 阻塞进程、优先级低 的进程
4. 对换区的I/O速度比文件区更快
5. PCB常驻内存

连续分配管理方式

连续分配管理方式：为一个用户程序分配一个连续的内存空间

1.单一连续分配

1. 内存：系统区、用户区
2. 系统区：仅供操作系统使用，通常在低地址部分
3. 用户区：仅有一道用户程序，即整个内存的用户空间由该程序独占
4. 优点：简单、无外部碎片
5. 缺点：只能用于单用户、单任务的OS，有内部碎片，存储器利用率低
6. 注：可采用覆盖技术

2.固定分区分配

固定分区分配：将用户内存空间划分为若干固定大小的区域，每个分区只装入一道作业

• 分区大小相等 ——适合于用一台计算机控制多个相同对象的场合 ——缺乏灵活性
• 分区大小不等
  分区分配内存管理方式主要保护措施：界地址保护
  分区使用表：用数据结构的数组。按分区大小排队，各表项包括每个分区的起始地址、大小、状态（是否已分配）——分配内存时，便检索该表
  

1. 优点：实现简单，无外部碎片
2. 缺点：①程序可能太大而放不进任何一个分区（采用覆盖技术来使用内存空间）；②存在内部碎片；③存储空间利用率低

3.动态分区分配

又称 可变分区分配：根据进程的实际需要，动态的为之分配内存（在作业装入时动态建立）

1. 优点：无内部碎片
2. 缺点：有外部碎片（采用紧凑技术才解决）

动态分区分配策略

动态分区分配策略 空闲分区链接次序 查找要求 评价
首次适应算法First Fit 地址递增 从低地址开始顺序查找 通常是最好、最快的。缺点：出现很多小的空闲分区，增加开销
邻近适应算法Next Fit（循环首次适应算法） 地址递增 从上次查找结束的位置开始继续查找 通常比首次适应算法要查。缺点：小碎片很多
最佳适应算法Best Fit 容量递增 找到第一个能满足要求且最小的空闲分区 性能通常很差。缺点：产生最多的外部碎片（内存碎片）
最坏适应算法Worst Fit 容量递减 找到第一个能满足要求且最大的空闲分区 性能很差缺点：会导致没有可用的大内存块

回收内存（相邻的空闲分区合并，并修改起始地址和大小）

1. 若回收区与插入点的前一空闲分区相邻，则合并，并修改合并后表项的大小
2. 若回收区与插入点的后一空闲分区相邻，则合并，并修改合并后表项的起始地址和大小
3. 若回收区同时与插入点的前、后一空闲分区相邻，则合并，并修改合并后表项的大小
4. 若回收区没有相邻的空闲分区，则为回收区新建一个表项，填写起始地址和大小，并插入空闲分区链