3内存管理

3.1_1 内存的基础知识

1、什么是内存，作用

（1）内存：内存用来存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理――缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾。

（2）内存存储单元：每个地址对应一个存储单元

（3）内存地址：给上面存储单元的一个编号

2、进程运行的基本原理

（1）逻辑地址vs物理地址：逻辑地址就是相对地址

（2）从写程序到程序运行：编辑-编译-链接-装入

（3）三种链接方式：

• 静态链接（在程序运行前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件）；
• 装入时动态链接（将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式）；
• 时动态链接（在程序执行中需要该模块时，才对它进行链接，其优点时便于修改和更新）。

（4）三种装入方式：

• 绝对装入（在编译的时候就知道程序放在内存的哪个位置）；
• 静态重定位/可重定位装入（装入时将逻辑地址转表为物理地址）；
• 动态重定位（把地址转化推迟到程序真正要执行时才进行）。

3.1_2 内存管理的概念

内存管理有以下功能：

1、内存管理的第一件事：让操作系统负责内存空间的分配与回收

2、内存空间的扩充：虚拟技术——内存的虚拟性

3、地址转换：逻辑地址—（转换为->）—物理地址

4、存储保护：让各进程不越界访问，只能访问自己的存储空间

• 设置上下限寄存器
• 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。

3.1_3 覆盖与交换

覆盖与交换技术是可以实现对内存空间的扩充：

（1）覆盖技术：将程序分为多个段，内存分为”固定区“和”覆盖区“，需要常驻的放在”固定区“，调入后就不再调出，不常用的段放在”覆盖区“，需要用到时调入内存，用不到时掉出内存。

（2）交换技术：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（PCB会常驻内存，不会被换出）。暂时换出外存的进程为挂起态。

（3）虚拟存储技术：后面再说

3.1_4 连续分配管理方式

内存空间的分配与回收 中的 连续分配方式：为用户进程分配的必须是个连续的内存空间。

（1 ）单一连续分配：内存被分配为系统区和用户区，系统区在低地址，用户区是一个用户独享。无外部碎片。

（2）固定分区分配：将用户区分割为若干固定分区给各道程序，分割策略有分区大小相等和分区大小不相等，可以建议一个分区说明表来管理各个分区

（3）动态分区分配/可变分区分配：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。

      

  

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（如果有外部碎片，可以采用紧凑技术）

3.1_5 动态分区分配算法

1、首次适应算法（First Fit)

算法思想：每次从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区

2、最佳适应算法(Best Fit)

算法思想：为了保证“大进程”到来时能有连续的大片区域，可以尽可能留下大片的空闲区，优先使用更小的空闲区。

如何实现：空闲分区按容量递增次序链接，分配内存时顺序查找空闲分区链，找到大小能满足的第一个空闲分区

缺点：会留下小碎片

3、最坏适应算法(Worst Fit)

算法思想：和最佳适应算法相反，按容量递减次序排列，每次尽可能用大的分区

4、领近适应算法(Next Fit)

算法思想：每次从上次查找结束的位置开始检索。（减少查找开销）

缺点：大空间容易被用完

3.1_6 基本分页存储管理的基本概念（重难点）

是一种非连续分配（为用户进程分配分散的内存空间）

1. 每个分区就是一个“页框”（页框=页帧=内存块=物理块=物理页面)。
2. 每个页框有一个编号，即“页框号”

1. 允许一个进程分散地装入道许多不相邻的位置

1. 将内存分为大小相等的小分区“页框”，将用户的进程空间也分为大小相等的一个个区域，以页框的基本单位分配给每个进程片
2. 分页管理对逻辑地址和物理地址的转换：物理地址=页面的其实位置+偏移量

1. 计算机中用2的整数倍表示页面的大小
2. 页表：存放页号和块号的对应关系

3.1_7 基本地址变换机构

基本地址变换机构是实现逻辑地址到物理地址转换的一组硬件机构。

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，页表的起始地址和页表的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在页表寄存器中。

3.1_8 具有快表的地址变换机构

1、什么是快表（TLB）

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（不是内存），用来存放当前访问的若干页表项的副本，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。

如果快表命中，就不需要访问慢表了。

2、引入快表后，地址的变换过程

3、局部性原理

时间局部性：访问某个变量后，在不久的将来还会被访问（频繁的再次被访问）；

空间局部性：程序访问了某个存储单元，不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。

3.1_9 两级页表

1、单级页表存在什么问题？如何解决？

1. 问题1：所有页表项必须连续存放，页表过大时需要很大的连续空间；
2. 问题2：在一段时间内并非所有页面都用得到，因此没必要让整个页表常驻内存；（根据局部性原理：进程只需要访问某些特定的页面，并不是整个页表）

2、两级页表的原理、逻辑地址结构

（1）将长长的页表再分页

（2）逻辑地址结构：（一级页号、二级页号、页内偏移量）

（3）页目录表、或外层页表、或顶级页表

3、如何实现地址变换？

1. 按照地址结构将逻辑地址拆分成三部分；
2. 从PCB中读出页目录表始址，根据一级页号查页目录表，找到下一级页表在内存中的存放位置。
3. 根据二级页号查表，找到最终想访问的内存块号
4. 结合页内偏移量得到物理地址

4、两级页表问题需要注意的几个细节

1）多级页表中，各级页表的大小不能超过一个页面。若两级页表不够，可以分更多级

2）多级页表的访问次数（假设没有快表结构），N级页表访问一个逻辑地址需要N+1次访存（两级列表则访问3次）

3.1_10 基本分段存储管理方式

1、什么是分段？

1. 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，每段有段名，每段从0开始编址。

1. 重点：
   1. 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段
   2. 段内地址位数决定了每个段的最大长度是多少

2、什么是段表

1. 段表：段映射表
2. 每个程序被分段后，用段表记录该程序在内存中存放的位置
3. 段表：段号 段长 基址

3、如何实现地址变换

4、分段、分页管理的对比

1. 页：信息的物理单位，实现离散分配，提高内存利用率，地址是一维的，访存2次；
2. 段：信息的逻辑单位，对系统可见，地址是二维的，访存3次；
3. 分段比分页更容易实现信息的共享和保护（不能被修改的代码称为纯代码和可重入代码，不属于临界资源）。

3.1_11 段页式的管理方式

1、分页、分段管理方式最大的优缺点

1. 分页：利用率高，碎片少，不方便进行信息共享和保护
2. 分段：方便信息共享和保护，如果段长大，容易产生外部碎片

2、分段+分页的结合——段页式管理方式

1. 先分段再分页
2. 段号+页号+页内偏移量
3. 地址结构是二维的

3、段表、页表

4、如何实现地址变换