操作系统·内存管理

内存管理概念

内存管理的基本原理和要求

• 内存管理
• 主要功能

程序的链接与装入

• 链接方式
  • 静态链接
  • 装入时动态链接
  • 运行时动态链接
• 装入方式
  • 绝对装入
  • 可重定位装入（静态重定位）
    • 在装入时一次性完成重定位
    • 需完整装入
    • 无法动态分配内存
  • 动态运行时装入（动态重定位）
    • 把相对地址的修改推迟带真正运行的时候进行，需要重定位寄存器的支持
    • 可部分装入
    • 可不连续分配内存
    • 可动态分配内存
    • 便于共享程序段

逻辑地址与物理地址

进程的内存映像

• 代码段：只读的，可以被多个进程共享
• 数据段：包括全局变量和静态变量
• PCB
• 堆：动态分配的变量
• 栈：用来实现函数调用

内存保护

• 目的：防止进程越界访问内存
• 方式
  • CPU设置上、下界限寄存器
  • 重定位寄存器（基地址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）配合

内存共享

• 可重入代码（纯代码）是只读的

内存分配与回收

• 单一连续分配
• 固定分区分配
• 动态分区分配
• 页式存储管理（离散分配方式）

连续分配管理方式

• 单一连续分配
  • 简单、无外部碎片
  • 只适用于单用户、单任务；有内部碎片存储器利用率极低
• 固定分区分配
  • 分区大小相等
  • 分区大小不等
  • 存在两个问题
• 动态分区分配
  • 维护一个空闲分区表（或链）
  • 分配策略
    • FF：最简单，最好
    • NF：内存空间小碎片，比FF要差
    • BF：性能很差，产生最多的外部碎片
    • WF：导致没有大内存块，性能也非常差

基本分页存储管理

基本概念

• 页面和页面大小
  • 页（页面，Page）
  • 页框（页帧，Page frame）
  • 块（盘块，Block）
• 逻辑地址结构（[页号P|页内偏移量W]）
  • 页号P
  • 页内偏移量W
• 页表
  • 页号（隐含）
  • （物理）块号
  • 页表一般存放在PCB中
• 物理地址：逻辑地址中的W和页表中的块号共同组成

基本地址变换机构

• 是一组硬件机构
• 页表寄存器（PTR）
  • 记录进程页表的起始地址和页表长度（页表中有多少页）
  • 进程运行时，将PCB中的信息放在PTR中
• 变换过程
  • P，W
  • 越界检测
  • 取页表项
  • 计算物理地址
• 页面多大合适

具有快表的地址变换机构

• 快表（相联存储器，Translation Lookaside Buffer，TLB）
  • 并行能力
  • 高速缓冲存储器（不是内存）
  • 每次切换进程都需要清空TLB
  • 专门用于存页表项
• 变换过程

两级页表

• 二级页表（页目录表）
• 外层页表/顶级页表
• 两级页表的逻辑地址格式
• 需要注意的几个细节
  • 页表大小不得超过一个页面
  • 访存次数

基本分段存储管理

• 分段
• 段表
• 地址变换机构
• 段的共享与保护

段页式管理

虚拟内存管理

虚拟内存的基本概念

• 传统存储管理方式的特征
  • 一次性
  • 驻留性
• 局部性原理
• 虚拟存储器的定义和特征
  • 定义
  • 特征
    • 多次性
    • 对换性
    • 虚拟性
• 虚拟内存技术的实现
  • 内存管理方式
    • 请求分页存储管理
    • 请求分段存储管理
    • 请求段页式存储管理
  • 硬件支持
    • 一定容量的内存和外存
    • 页/段表机制
    • 中断机制
    • 地址变换机构

请求分页管理方式

• 页表机制
  • 两个基本问题
  • 页表项新增4个字段
    • 状态位P
    • 访问字段A
    • 修改位M
    • 外存地址
• 缺页中断机构
  • 同样经过中断处理的步骤
  • 特殊之处
    • 指令执行期间产生中断信号，属于内部异常
    • 一条指令可能产生多次缺页中断
• 

页框分配

• 驻留集大小
  • 驻留集
  • 大小考虑因素
• 内存分配策略（分配和调整驻留集）
  • 固定分配局部置换
  • 可变分配全局置换
  • 可变分配局部置换
• 固定分配
  • 平均分配
  • 按比例分配
  • 优先权分配
• 调入页面的时机
  • 预调页策略
  • 请求调页策略
• 从何处调入页面
• 如何调入页面

页面置换算法

• OPT
• FIFO
• LRU
• CLOCK
  • 简单CLOCK
  • 改进型CLOCK

抖动和工作集

• 抖动（颠簸）
  • 定义
  • 根本原因
    • 系统中同时运行的进程太多
• 工作集

内存映射文件

• 目的
  • 方便读写
  • 方便通信

虚拟存储器性能影响因素

• 页面大小
  • 大
    • 缺页率低、碎片多、页表短
  • 小
    • 缺页率高、碎片少、页表长
• 驻留集
  • 小
    • 缺页率高 抖动
  • 中
    • 缺页率低
  • 很大
    • 改善不明显
• 页面置换算法
  • 应采用LRU、CLOCK等
• 写磁盘频率
  • 通过建立待写链表 批量写入
• 程序局部化程度
  • 高
    • 缺页率低
  • 低
    • 缺页率高

地址翻译

分段、分页管理的对比

（1）页是信息的物理单位。分页的主要目的是提高内存利用率。分页是透明的、一维的 （2）段是信息的逻辑单位。主要目的是更好地满足用户需求。分段需要显式指令。分段是二维的。分段更容易实现信息的共享与保护。

分页、分段优缺点分析

局部性原理

时间局部性

空间局部性