操作系统学习笔记---内存管理

概念

功能

内存空间的分配和回收

地址转换

逻辑地址（相对地址）

物理地址（绝对地址）

内存空间的扩充

内存共享

存储保护

方式

源程序变为可执行程序步骤

链接方式

装入方式

覆盖

交换

连续分配管理方式

单一连续分配

固定分区分配

动态分区分配

非连续分配管理方式

基本分页存储管理方式

基本概念

地址结构

基本地址变换机构

具有快表的地址变换机构

两级页表

基本分段存储管理方式

分段

段表

地址变换机构

分段和分页的对比

不同点

相同点

段页式管理

逻辑地址结构

地址变换机构

虚拟内存管理

概念

特征

虛拟内存技术的实现

（1）请求分页存储管理方式

页表机制

编辑

缺页中断机构

地址变换机构

（2）请求分段存储管理方式

（3）请求段页式存储管理方式

页面置换算法

（1）最佳(OPT)置换算法

（2）先进先出 (FIFO)页面置换算法

（3）最近最久末使用(LRU)置换算法

（4）时钟(CLOCK) 置换算法/最近未用(NRU)算法

简单CLOCK 算法实现方法

改进型CLOCK算法

页面分配

驻留集

内存分配策略

何时调页

何处掉页

抖动（颠簸）现象

工作集

内存映射文件

特性

优点

概念

操作系统对内存的划分和动态分配就是内存管理的概念。

功能

内存空间的分配和回收

由操作系统完成对主存的分配和回收

地址转换

使逻辑地址转换为真实的物理地址

逻辑地址（相对地址）

编译后，每个目标模块都从0号单元开始编址，这称为该目标模块的相对地址(或逻辑地址)。

物理地址（绝对地址）

物理地址空问是指内存中物理单元的集合，它是地址转换的最终地址，进程在运行时执行指令和访问数据，最后都要通过物理地址从主存中存取。

内存空间的扩充

利用虛拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存

内存共享

允许多个进程访问内存的同一部分

存储保护

保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰

方式

设置上下限寄存器
利用重定位寄存器、界地址寄存器

源程序变为可执行程序步骤

编译：由编译程序将用户源代码编译成若千目标模块。
链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块及所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
装入：由装入程序将装入模块装入内存运行。

链接方式

静态链接：装入前链接成一个完整装入模块
装入时动态链接：运行前边装入边链接
运行时动态链接：运行时需要目标模块才装入并链接

装入方式

绝对装入：编译时产生绝对地址（单道程序阶段，无OS）
可重定位装入：装入时将逻辑地址转换为物理地址（早期多道批处理阶段）
动态运行时装入/动态重定位：运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位奇存器（现代OS）

覆盖

基本思想：将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。

具体操作：把内存划分为一个固定区和若干个覆盖区，固定区存放用户程序经常活跃的部分，调入后就不再调出(除非运行结束)；將即将访问的段放在覆盖区，在需要调用前，系统将其调入覆盖区，替换原有的段。必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。

适用情况：同一个程序/进程内

缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担，覆盖技术只用于早期的操作系统中。

交换

基本思想：把处于等待状态的进程或者被CPU剥夺运行权限的进程从内存移出到外存，这一过程称为换出;把准备好竞争CPU的进程从外存移到内存，这一过程称为换入。

适用情况：不同进程/作业间

ps：一般将阻塞、优先级低的进程先换出到磁盘的对换区

连续分配管理方式

单一连续分配

内存被分为：系统区和用户区。

系统区：通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统系统区
用户区：用于存放用户进程相关数据。

特点：内存中用户区空间只能有一道用户程序

优点：实现简单；无外部碎片（分区外部不存在空间浪费）；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护(例：早期的PC 操作系统MS- DOS)。

缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片（分区内部不存在空间浪费）；存储器利用率极低

固定分区分配

固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空问划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。

两种方法：

分区大小相等：缺乏灵活性，只适合用一台计算机控制多个相同对象的场合。
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。

为便于内存分配，通常將分区按大小排队，建立一张分区说明表。

优点：实现简单，无外部碎片。

缺点：当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，降低性能；会产生内部碎片，内部利用率低

动态分区分配

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。

动态分区分配算法

首次适应 (First Fit) 算法。空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时顺序查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
最佳适应(Best Fit) 算法。空闲分区按容量递增的方式形成分区链，找到第一个能满足要求的空闲分区。
最坏适应(Worst Fir) 算法。又称最大适应 (Largest Fit）算法，空闲分区以容量递减的次序链接，找到第一个能满足要求的空闲分区，即挑选出最大的分区。
邻近适应 (Next Fit) 算法。又称循环首次适应算法，由首次适应算法演变而成。不同之处是，分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。

特点：无内部碎片，有外部碎片

非连续分配管理方式

基本分页存储管理方式

基本概念

页/页面：进程中的块
页框/页帧/内存块/物理页面/物理块：内存中的块
页框号/页帧号/内存块号/物理块号/物理页号：每个页框有一个编号，从0开始
页表：为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表。由页表项组成的，页表项由页号和物理内存中的块号组成。

ps：页号不占空间。

地址结构

每页大小为4KB；地址空间最多允许2的20次方页

页号=逻辑地址/页面长度（取除法的整数部分）

页内偏移量=逻辑地址 % 页面长度（取除法的余数部分）

基本地址变换机构

地址变换机构的任务是将逻辑地址转换为内存中的物理地址。地址变换是借助于页表实现的。

设页面长度为L

计算页号P（P=A/L）、页内偏移量比（W=A%L）
比较页号P和页表长度M，若P＞M，则产生越界中断，否则继续执行。
页表中页号P对应的页表项地址=页表始址F+页号P*页表项长度，取出该页表项肉容b，即为物理块号。页表长度的值是指一共有多少页，页表项长度是指页地址占多大的存储空间。
计算E=b*L+W，用得到的物理地址区去访问内存。