第三章内存

第三章内存知识梳理，包括存储保护（内存保护 ）、地址转换、内存空间的扩充、内存空间的分配与回收等等。

第三章 内存

• 存储保护（内存保护 ）
  • 保证各进程在自己的内存空间内运行，不会进行越界访问
  • 两种方式
    • 方式一：设置上下限寄存器，cpu检查是否越界
    • 方式二：两个寄存器
      • 重定位寄存器（基址寄存器）：存放进程的起始物理地址
      • 界地址寄存器（限长寄存器）：存放进程的最大逻辑地址
      • 先判断是否超过最大逻辑地址再重定位
• 地址转换
  • os实现逻辑地址到物理地址的转变
  • 三种方式
    • 绝对转入：编译时，产生绝对地址（单道程序阶段，还没有os），编译器完成
    • 可重定位装入：转入时，将逻辑地址转换为物理地址（早期多道批处理），装入程序完成
    • 动态运行时装入：运行时，将逻辑地址转换为物理地址，需要设置重定位寄存器（现代os），os完成
• 内存空间的扩充
  • 覆盖技术
    • 解决问题
      • 程序大小超过物理内存总和
    • 思想
      • 将程序分成多个段（多个模块），常用段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存
    • 实现
      • 一个固定区：存放常驻内存的段，调入后就不再调出（除非运行结束）
      • 若干覆盖区：存放不常用的段，运行过程中根据需要调入调出
    • 特点
      • 按照自身逻辑，让不可能同时被访问的程序段共享同一个覆盖区
      • 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖
    • 缺点
      • 对用户不透明，增加用户编程负担
  • 交换技术
    • 思想
      • 内存紧张时，系统将内存中的某些进程暂时换出外存，把外存中已具备运行条件的进程换入内存
    • 中级调度
      • 决定那个处于挂起状态的进程重新调入内存
    • 实现：磁盘存储空间分为：
      • 对换区（小）：连续分配方式，存放被换出的进程数据，追求换入换出速度（i/o速度更快）
      • 文件区（大）：离散分配方式，存放文件，追求存储空间利用率
    • 注意
      • pcb常驻内存（不会被换出外存），在挂起队列中，根据pcb管理进程
      • 优先换出阻塞进程、优先级低的进程
      • 暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态，分为：阻塞挂起、就绪挂起
  • 虚拟存储技术
    • 传统存储管理方式的特征
  • 覆盖与交换的区别
    • 覆盖是在同一个程序（或进程）中的
    • 交换是不同进程（或作业）之间的
• 内存空间的分配与回收
  • 连续分配管理
    • 单一连续分配
      • 实现：内存分为：
        • 系统区：操作系统相关数据
        • 用户区：存放用户进程相关数据
      • 特点
        • 无外部碎片，有内部碎片
        • 只支持单道程序：内存中只能有一道用户数据，用户程序独占整个用户区空间
    • 固定分区分配
      • 实现
        • 借助数据结构管理：分区说明表
        • 内存用户空间划分成若干个固定大小的分区，每个分区只能装一道作业
      • 两种分区方式
        • 分区大小 不等：增加灵活性，可以满足不同大小的进程需求
        • 分区大小 相等：缺乏灵活性，很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合
      • 特点
        • 无外部碎片，有内部碎片
        • 支持多道程序
    • 动态分区分配
      • 实现
        • 不会预先划分内存，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态的建立分区
        • 数据结构
          • 空闲分区链：每个分区的 首、尾部分 会分别设置 前、后向指针
          • 空闲分区表：每个空闲分区对应一个表项
        • 动态分区分配算法
          • 把一个新作业装入内存时，须按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表（链）中选出一个分区分配给该作业
          • 首次适应（First Fit）
            • 思想
              • 每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区
            • 实现
              • 空闲分区以地址递增的次序排列
              • 每次分配内存时，顺序查找空闲分区链（表）
          • 最佳适应（Best Fit）
            • 思想
              • 优先使用
          • 最坏适应（Worst Fit）
          • 邻近适应（Next Fit）
        • 回收内存时的4种情况
          • 回收区之前有相邻的空闲分区：相邻的空闲分区要合并（更改空闲分区表）
          • 回收区之后有相邻的空闲分区
          • 回收区前后都有相邻的空闲分区
          • 回收区前后都没有相邻的空闲分区：在空闲分区表中增加表项
      • 特点
        • 有外部碎片，无内部碎片
        • 解决外部碎片：紧凑
  • 非连续分配管理
    • 基本分页存储管理
      • 思想：把进程分页，各个页面离散的放到各个内存块中
      • 相关概念
        • 内存空间分为一个个大小相等的分区，一个分区就是一个页框
        • 进程的逻辑地址也分为与页框大小相等的一个个部分，即为 页、页面
        • 页框=页帧=内存块=物理块 vs 页=页面
        • 编号
          • 页框号（页框的编号）：从0开始
          • 页号（页面的编号）：从0开始
        • 操作系统以页框为单位为每个进程分配内存空间
        • 进程的每个页面分别放入一个页框，一一对应
        • 各个页面不需连续存放，可以存放到不相邻的各个页框
        • 可能产生内部碎片：进程的最后一个页面没有一个页框大
      • 页表
        • 作用：知道进程的每个页面在内存的存放位置，二者映射关系
        • 对应关系
          • 一个进程 对应 一个页表
          • 一个进程的每个页面 对应 一个页表项
        • 实现
          • 每个页表项：页号、块号
          • 每个页表项的长度（大小）是相同的
          • 页表存放在pcb中
          • 页表记录的只是物理块号，而不是内存块的起始地址
        • 每个页表项的大小
          • 块号（求要几B）：内存大小/页面大小=内存块数（2^k块），内存块号范围0~(2^k)-1，需要k位bit表示块号，1B=8bit，可知块号要几B（内存块的数量 可推出页表项的大小）
          • 页号：可以隐含，不用占据存储空间
          • 每个页表项大小相同，连续存放：i号页表项的存放位置=页表的起始地址+i*页表项大小
      • 操作系统实现地址的转换
        • 进程的页面是离散存放，但页面内部是连续存放
        • 逻辑地址结构
          • 页号k位：一个进程最多有2^k个页面
          • 页内偏移量m位：一个页面的大小是2^m个内存单元
        • 地址转换
          • 1，求逻辑地址A对应的【页号，页内偏移量】
            • 方法一
              • 页号 = 逻辑地址/页面长度（除法的整数部分）
              • 页内偏移量 = 逻辑地址%页面长度（取整）（除法的余数部分）
            • 方法二
              • 末尾k位是页内偏移量，其余是页号
              • 物理地址=物理块号(查页表可得) 拼接 页内偏移量
          • 2，查页表，找到对应页面在内存中的存放位置
          • 3，物理地址 = 物理块的始址 + 页内偏移量
        • 基本地址变换机构
          • 页表寄存器
            • 存放页表在内存中的起始地址F，页表长度M
            • 进程未执行时，FM放在pcb；进程被调度时，os内核把FM放在页表寄存器
          • 两次访存：访页表、访内容
        • 具有快表的地址变换机构
          • 快表
            • 访问速度远远高于内存的高速缓存
            • 存放最近访问的页表项的副本
          • 局部性原理（程序中存在大量循环）
            • 时间局部性：执行了某指令（访问数据），不久后可能再次执行
            • 空间局部性：程序访问某存储单元，其附近的存储单元也有可能被访问
          • 是否命中快表
            • 命中：一次访存：访快表+访内存内容
            • 没命中
              • 两次访存：访快表+访页表+访内存内容
              • 查完页表后，需要将页表项复制到快表中
      • 两级页表
        • 单级页表存在问题
          • 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
          • 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
    • 基本分段存储管理
    • 段页式存储管理