操作系统学习笔记（Ⅲ）：内存

目录

1 内存管理

1.1 内存基础知识

1.内存

2.进程运行

1.2 内存管理的概念

1.3 覆盖与交换

1.覆盖

2.交换

3.区别

1.4 连续分配管理方式

1.单一连续分配

2.固定分区分配

3.动态分区分配

1.5 动态分区分配算法

1.首次适应算法

2.最佳适应算法

3.最坏适应算法

4.邻近适应算法

1.6 基本分页存储管理 

1.分页存储

2.地址转换

3.页表

1.7 基本地址变换机构

1.定义

2.方法

3.示例

1.8 具有快表的地址变换机构

1.局部性原理

2.快表

3.地址变换过程

4.例题

1.9 两级页表

1.单级页表

2.两级页表

3.地址转换

4.注意事项

1.10 基本分段存储管理方式

1.分段

2.段表

3.地址变换

4.方法对比

1.11 段页式管理方式

1.分页与分段优缺点

2.段页式管理

3.逻辑地址结构

4. 段表、页表

2 虚拟内存

2.1 虚拟内存基本概念

1.定义

2.特征

3.实现

2.2 请求分页管理方式

1.页表机制

2.缺页中断机构

3.地址变换机构

2.3 页面置换算法

1.最佳置换算法（OPT）

2.先进先出置换算法（FIFO）

3.最近最久未使用置换算法（LRU）

4.时钟置换算法（CLOCK）

5.改进型的时钟置换算法

2.4 页面分配策略

1.驻留集

2.页面分配、置换策略

3.固定分配局部置换

4.可变分配局部置换

5.可变分配局部置换

5.页面调入时机

6.调入来源

7.抖动 

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1 内存管理

1.1 内存基础知识

1.内存

内存是用于存放数据的硬件。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理。内存都有各自的地址，每个地址对应一个存储单元，按字节编址则每个存储单元大小为1字节，按字长编址则每个存储单元大小为1个字。

2.进程运行

相对地址又称逻辑地址，绝对地址又称物理地址。

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（编译就是把高级语言翻译为机器语言)

链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起形成一个完整的装入模块
·装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行
绝对装入：在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。仅适用于单道程序环境

静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从O开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）。但必须分配所要求的全部内存空间，装入后不可移动。

动态重定位：又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从O开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

静态链接：在程序运行之前，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（装入模块），之后不再拆开。

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。

运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

1.2 内存管理的概念

操作系统负责内存空间的分配与回收

操作系统需要从逻辑上对内存空间进行扩充

操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址转换

操作系统需要提供内存保护功能，保证各进程在各自存储空间内运行（方法一:在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。方法二:采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。）

1.3 覆盖与交换

1.覆盖

为了解决程序大小超过物理内存总和的问题，引入覆盖技术。其思想：将程序分成多个段，常用段（固定区）永驻内存，不常用段（覆盖区）需要时调入。必须由程序员声明覆盖结构。

2.交换

交换（对换）技术的设计思想：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（进程在内存与磁盘间动态调度)

·具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对又件区空间的官理术用离散分配方式;对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数掂就仔Ⅳ在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式（学过文件管理章节后即可理解）。总之，对换区的I/o速度比文件区的更快。

·交换通常在许多选程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如:在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程;如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
·可优先换出阻塞进程;可换出优先级低的进程;为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间

3.区别

覆盖是在同一个程序或进程中的；交换是在不同进程之间的。

1.4 连续分配管理方式

连续分配指为用户进程分配是一个连续的内存空间

1.单一连续分配

在单一连续分配方式中，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，用于存放操作系统相关数据;用户区用于存放用户进程相关数据。内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。
优点：实现简单;无外部碎片;可以采用覆盖技术扩充内存;不一定需要采取内存保护 
缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中;有内部碎片（有部分空闲 用户区）;存储器利用率极低。

2.固定分区分配

于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业。用户空间分区大小可以相等或不一。

操作系统需要建立一个数据结构――分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）。
优点：实现简单，无外部碎片。
缺点：a.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，但这又会降低性能; b.会产生内部碎片，内存利用率低。

3.动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式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。因此系统分区的大小和数目是可变的。
·系统常用空闲分区表（空闲分区表：每个空闲分区对应一个包含分区号、分区大小等信息的表项）和空闲分区链（每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。起始部分处还可记录分区大小等信息）两种数据结构记录内存分区情况。      

·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。可以利用紧凑技术解决外部碎片

1.5 动态分区分配算法

1.首次适应算法

算法思想：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（或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

2.最佳适应算法

实现：空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

3.最坏适应算法

实现：空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

4.邻近适应算法

实现：空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表）。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

1.6 基本分页存储管理 

1.分页存储

将内存空间分为一个个大小相等的分区（比如：每个分区4KB），每个分区就是一个“页框”，或称“页帧”、“内存块”、“物理块”。每个页框有一个编号，即“页框号”（或者“内存块号”、“页帧号”、“物理块号”）页框号从0开始。

将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域，称为“页”或“页面”。每个页面也有一个编号，即“页号”，页号也是从0开始。
操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。

2.地址转换

算出逻辑地址对应的页号；知道该页号对应页面在内存中的起始地址；算出逻辑地址在页面内的“偏移量”；

物理地址=页面始址＋页内偏移量。
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)

页面在内存中的起始位置:操作系统需要用某种数据结构记录进程各个页面的起始位置。
页面大小一般为2的整数幂。若页面大小为2^k B，用二进制数表示逻辑地址，则末尾k位为页内偏移量，其余部分是页号。

地址结构包含两个部分：前一部分为页号，后一部分为页内偏移量w.
如果有K位表示“页内偏移量”，则说明该系统中一个页面的大小是2^K个内存单元如果有M位表示“页号”，则说明在该系统中，一个进程最多允许有2^M个页面

3.页表

操作系统为每个进程建立一张包括页号和块号的页表。每个页表项的长度是相同的，页号是“隐含”的

1.7 基本地址变换机构

1.定义

基本地址变换机构可以借助进程的页表将逻辑地址转换为物理地址。
通常会在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F和贡表长度M。进程未执行时，页表的始址和页表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到页表寄存器中。

2.方法 

3.示例

 为了方便页表的查询，常常会让一个页表项占更多的字节，使得每个页面恰好可以装得下整数个页表项。

1.8 具有快表的地址变换机构

1.局部性原理

时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行;如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。(因为程序中存在大量的循环)
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。（因为很多数据在内存中都是连续存放的)

2.快表

又称联想寄存器（TLR)，是一种访问速度比内存快很多的高速缓冲存储器，用来存放当前访问的若干页表项，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。

3.地址变换过程

4.例题

1.9 两级页表

1.单级页表

缺点：所有的页表项都连续存放；进程在一段时间只需要访问某几个特定页面，页表无需常驻内存。

2.两级页表

3.地址转换

4.注意事项

 

 N级页表访问一个逻辑地址需要N+1次访存

1.10 基本分段存储管理方式

1.分段

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，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程)，每段从0开始编址
内存分配规则:以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以本相邻。
分段系统的逻辑地址结构由段号（段名）和段内地址（段内偏移量）组成。段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段段内地址位数决定了每个段的最大长度是多少

2.段表

程序分多个段，各段离散地装入内存，为了保证程序能正常运行，就必须能从物理内存中找到各个逻辑段的存放位置。为此，需为每个进程建立一张段映射表，简称“段表”。

·每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始位置（又称“基址”）和段的长度。
·各个段表项的长度是相同的。例如:某系统按字节寻址，采用分段存储管理，逻辑地址结构为(段号16位,段内地址16位），因此用16位即可表示最大段长。物理内存大小为4GB（可用32位表示整个物理内存地址空间)。因此，可以让每个段表项占16+32= 48位，即6B。由于段表项长度相同，因此段号可以是隐含的，不占存储空间。若段表存放的起始地址为M，则K号段对应的段表项存放的地址为M+K*6

3.地址变换

4.方法对比

页是信息的物理单位。分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的。
段是信息的逻辑单位。分段的主要目的是更好地满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名。
页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编写的程序。
分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址。
分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址
 分段比分页更容易实现信息的共享和保护。

1.11 段页式管理方式

1.分页与分段优缺点

2.段页式管理

3.逻辑地址结构

 段页式系统的逻辑地址结构由段号、页号、页内地址（页内偏移量）组成。

4. 段表、页表

2 虚拟内存

传统存储管理方式存在一次性存入内存、存入后永驻内存等缺点。

2.1 虚拟内存基本概念

1.定义

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存

2.特征

多次性:无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。对换性:在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。
虚拟性:从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

3.实现

虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上

系统还要提供请求调页与页面置换功能 

2.2 请求分页管理方式

程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。

1.页表机制

2.缺页中断机构

  

3.地址变换机构

 

2.3 页面置换算法

1.最佳置换算法（OPT）

每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率。
缺页后未必发生页面置换。 

2.先进先出置换算法（FIFO）

每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
实现方法：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。
会产生Belady异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。

3.最近最久未使用置换算法（LRU）

每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

实现方法：赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t。当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中t值最大的，即最近最久未使用的页面。

4.时钟置换算法（CLOCK）

简单的CLOCK算法实现方法：为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出;如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为o后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为o的页面，因此简单的CLOCK算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描)

5.改进型的时钟置换算法

增加一个修改位，为0时表示页面没有被修改过。在访问条件相同时，应优先淘汰未被修改过的页面，以避免I/O操作。

2.4 页面分配策略

1.驻留集

请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。 

2.页面分配、置换策略

固定分配:操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变。即，驻留集大小不恋

可变分配:先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当的增加或减少。即，驻留集大小可变

3.固定分配局部置换

固定分配局部置换：系统为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面。这种策略的缺点是:很难在刚开始就确定应为每个进程分配多少个物理块才算合理。（采用这种策略的系统可以根据进程大小、优先级、或是根据程序员给出的参数来确定为一个进程分配的内存块数)

4.可变分配局部置换

可变分配全局置换:刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列。当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分配给该进程;若已无空闲物理块，则可选择一个未锁定的页面换出外存，再将该物理块分配给缺页的进程。采用这种策略时，只要某进程发生缺页，都将获得新的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页可能是系统中任何一个进程中的页，因此这个被选中的进程拥有的物理块会减少，缺页率会增加。

5.可变分配局部置换

可变分配局部置换:刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个进行换出外存。如果进程在运行中频繁地缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋势适当程度;反之，如果进程在运行中缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。

5.页面调入时机

6.调入来源

7.抖动 

刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动，或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够)
工作集：某段时间间隔内，进程实际访问页面的集合。工作集大小可能小于窗口尺寸，实际应用中，操作系统可以统计进程的工作集大小，根据工作集大小给进程分配若干内存块。如:窗口尺寸为5，经过一段时间的监测发现某进程的工作集最大为3，那么说明该进程有很好的局部性，可以给这个进程分配3个以上的内存块即可满足进程的运行需要。

驻留集的大小不可小于工作集，否则将在运行过程中频繁缺页。