计算机操作系统——存储器管理

系列文章目录

1.存储器的层次结构

2.程序的装入和链接

3.连续分配存储管理方式（内存够用）

4.对换（Swapping）(内存不够用)

5.分页存储管理方式

6.分段存储管理方式

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前言
一、存储器的存储结构
寄存器：
高速缓存：
主存储器：
磁盘缓存：
总结

前言

根据我们前面讲的操作系统的内容，说白了这章我们处理的就是作业来了放哪里？存储器历来都是计算机系统的重要组成部分。近年来，随着计算机技术的发展，系统软件和应用软件在种类、功能上都急剧地膨胀，虽然存储器容量一直在不断扩大，但仍然不能满足现代软件发展的需要。因此，存储器仍然是一种宝贵而又稀缺的资源。如何对它加以有效的管理，不仅直接影响到存储器的利用率，而且对系统性能也有重大影响。存储器管理的主要对象是内存。由于对外存的管理与对内存的管理相类似，只是它们的用途不同，即外存主要用来存放文件，所以我们把对外存的管理放在文件管理一章介绍，下面我也稍微讲点外存。

一、存储器的存储结构：

在计算机执行时，几乎每条指令都涉及对存储器的访问，因此要求对存储器的访问速度能跟上处理机的运行速度。或者说，存储器的速度必须非常快，能与处理机的速度相匹配，否则会明显影响到处理机的运行。此外还要求存储器具有非常大的容量，而且存储器的价格还应很便宜，对于这样十分严格的三个条件，目前是无法同时满足的。于是，现代计算机系统中都无一例外地采用了多层结构的存储器系统。

1.多层结构的存储器系统：

对于通用计算机而言，存储层次至少具有三级：最高为CPU寄存器，中间是主存，最底层是辅存。在存储层次中，层次越高（越靠近CPU），存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对所配置的存储容量也越小。其中，寄存器，高速缓存，主存储器和磁盘缓存均属于操作系统存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。而低层的固定磁盘和可移动存储介质则属于设备管理的管辖范畴，它们存储的信息将被长期保存。

寄存器（Registers）

定义与位置：
寄存器是CPU内部的一小部分存储单元，直接集成在处理器中，是计算机系统中速度最快的存储介质。
特点：
- 容量极小：通常每个寄存器仅存储几个字节（如32位或64位）。
- 速度极快：访问延迟为纳秒级，与CPU时钟同步。
- 专用性：用于存储当前执行的指令、操作数或地址（如程序计数器、指令寄存器等）。
管理方式：
- 由编译器或操作系统在程序执行时直接管理，通过指令集架构（ISA）暴露给程序员或操作系统。
- 在上下文切换时，操作系统需要保存和恢复寄存器的状态。

高速缓存（Cache）

定义与位置：
高速缓存（Cache）是介于寄存器和主存之间的存储器，通常分为多级（L1、L2、L3），位于CPU芯片内部或附近。
特点：
- 速度较快：访问速度接近寄存器（L1 Cache延迟约1-3个时钟周期）。
- 容量有限：L1 Cache通常为KB级（如32KB-64KB），L3 Cache可达MB级。
- 透明性：对程序员透明，由硬件自动管理。
作用：
- 利用局部性原理（时间局部性、空间局部性）缓存最近使用的内存数据，减少CPU访问主存的次数。
- 缓解CPU与主存之间的速度差异（“内存墙”问题）。
管理方式：
- 由硬件（如缓存控制器）自动完成数据的加载、替换（如LRU算法）和一致性维护（如MESI协议）。
- 操作系统可能需要处理缓存一致性问题（尤其在多核系统中）。

主存储器（Main Memory，RAM）

定义与位置：
主存储器（内存）是计算机的核心工作存储区域，由动态随机存取存储器（DRAM）构成，通过总线与CPU连接。
特点：
- 速度中等：访问延迟约几十到几百纳秒。
- 易失性：断电后数据丢失。
- 容量较大：现代计算机内存通常为GB级（如8GB-128GB）。
作用：
- 存储当前正在运行的程序和数据，供CPU直接读写。
- 作为高速缓存和磁盘之间的中转站。
管理方式：
- 操作系统负责内存分配、回收、虚拟内存管理等。
- 通过分页、分段等技术实现进程隔离和内存保护。

磁盘缓存（Disk Cache）

定义与位置：
磁盘缓存是主存储器（内存）中预留的一部分区域，用于缓存频繁访问的磁盘数据。
特点：
- 非易失性无关：数据仍存储在易失性内存中，但缓存的是非易失性磁盘的数据。
  容量灵活：大小由操作系统动态调整（如Linux的Page Cache）。
作用：
- 减少直接访问磁盘的次数，提升I/O性能（磁盘访问延迟为毫秒级）。
- 合并多次小写操作，优化磁盘写入效率。
管理方式：
- 由操作系统文件系统管理（如Linux的pdflush机制）。
- 使用回写（Write-back）或直写（Write-through）策略保证数据一致性。