第四章 存储器管理

1. 第四章 存储器管理 • 存储器管理是指存储器资源（主要指内存)的管理。 • 存储空间的分配与管理； • 地址重定位（逻辑地址与物理地址的对应关系） • 存储保护 • 存储空间扩充：虚拟存储器技术以及各种调度算法。

2. 4.1 地址重定位 • 4.2 分区存储管理 • 4.3 覆盖和交换 • 4.4 页面式存储管理 • 4.5 请求式页面存储管理 • 4.6 段式存储管理 • 4.7 段页式存储管理

3. 4.1 地址重定位 主存储器分为两部分：系统区，用户区 存储管理主要管理用户区的存储空间 地址空间和存储空间 • 名空间：程序中由符号名组成的空间。 • 逻辑地址（相对地址）：用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式。相对于0编址。 • 逻辑地址空间（地址空间）：相对地址的集合。 • 物理地址（绝对地址）：主存储器中一系列物理单元的编号。物理地址可直接寻址。 • 物理地址空间（存储空间）：物理地址的集合。

4.  逻辑地址、物理地址和地址映射 • 逻辑地址（相对地址，虚地址）：用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式。 • 其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址来编址。 • 不能用逻辑地址在内存中读取信息。 • 物理地址（绝对地址，实地址）：内存中存储单元的地址。物理地址可直接寻址。 • 地址映射：将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。

5. 源程序 逻辑地址空间 物理地址空间 0 BA=1000 Load A,data1 Load A,200 100 1100 Load A,1200 编译连接 地址映射 1200 3456 200 3456 。 。 data1 3456 。 逻辑地址、物理地址和地址映射

6. 地址重定位 • 地址重定位：实现程序的相对地址空间到绝对地址空间之间的映射。 • 程序在成为进程前的准备工作 • 编辑：形成源文件(符号地址) • 编译：形成目标模块(模块内符号地址解析) • 链接：由多个目标模块或程序库生成可执行文件(模块间符号地址解析) • 装入：构造PCB，形成进程(使用物理地址) • 重定位方法： • 静态重定位 • 动态重定位

7. 静态重定位 • 在程序执行之前进行地址重定位，即可执行文件中装入主存时，由操作系统中的加载程序来完成地址映射。 • 重定位项：程序中涉及直接寻址的每条指令都要进行修改，需要修改的位置称为重定位项。 • 重定位项表：用相对地址给出需修改的位置。列出各个需要重定位的地址单元和相对地址值。 • 优点：容易实现，无需硬件支持。 • 缺点： 程序在主存中只能连续分配； 程序装入内存后不能移动； 对共享的同一程序，各用户必须使用自己的副本，浪费存储空间。

8. 源程序 逻辑地址空间 物理地址空间 0 BA=1000 Load A,data1 Load A,200 100 1100 Load A,1200 编译连接 地址映射 1200 3456 200 3456 。 。 data1 3456 。 静态重定位

9. 可执行文件在内存中的重定位 0 2000 Relocation 150 150 Table ... ... jmp jmp 150 100 2150 2100 • 说明：重定位表中列出所有修改的位置。如：重定位表的150表示相对地址150处的内容为相对地址(即100为从0起头的相对位置)。在装入时，要依据重定位后的起始位置(2000)修改相对地址。 • 重定位修改：重定位表中的150->绝对地址2150(=2000+150) • 内容修改：内容100变成2100(=100+2000))。

10. 动态重定位 在程序运行期间进行重定位，装入和执行时通过硬件地址变换机构，完成虚拟地址到实际内存地址的变换 • 优点： • OS可以将一个程序分散存放于不连续的内存空间；可以移动程序。 • 有利用实现共享。 • 缺点：需要硬件支持（通常是CPU），是虚拟存储的基础。

11. 逻辑地址空间 物理地址空间 BR（基址寄存器） . 0 . . 1000 VR 100 1100 + LOAD A,200 LOAD A,200 200 . . . 200 3456 1200 3456 . . . 1300 300 动态重定位

12. 4.2分区存储管理 基本思想：将主存储空间划分成若干个连续的存储区，称为分区。每个分区只能存储一道程序，一个程序只能访问其所在分区的存储单元。 缺点：不能充分使用存储空间。

13. 4.2分区存储管理 单一连续区存储管理 适用于单道程序系统 • 内存分为两个连续区域：系统区，用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。 • 最简单，适用于单道程序设计的OS。 • 优点：易于管理。 • 缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费（空闲存储区）。

14. 0H 中断矢量表 操作系统 界限寄存器 7FFFH 08000H 用户程序区 空闲区 FFFFFH 单一连续区存储管理

15. 分区存储管理 • 基本思想：把内存分为一些大小相等或不等连续区域－－－－分区(partition)，每个分区只能驻留一个程序。操作系统占用其中一个分区。 • 特点：适用于多道程序系统和分时系统 • 支持多个程序并发执行 • 问题：存在碎片（小得难以使用的分区）问题，可能存在内部碎片和外部碎片。 • 内部碎片：占用分区之内未被利用的空间 • 外部碎片：占用分区之间难以利用的空闲分区（通常是小空闲分区）。

16. 固定分区(fixed partitioning) 把内存划分为若干个固定大小的连续分区。一旦划分好，在系统运行期间不再重新划分。 • 分区大小相等：只适合于多个相同程序的并发执行（处理多个类型相同的对象）。 • 分区大小不等：多个小分区、适量的中等分区、少量的大分区。根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区。

17. 固定分区(大小相同) 固定分区(多种大小)

18. 优点：简单易于实现，开销小。 • 缺点： • 内部碎片造成浪费 • 分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。 • 采用的数据结构：分区表(分区说明表)－－记录分区的大小和使用情况 00000H Operating System 08000H 作业A 分区1 0A000H 作业B 分区2 12000H 分区3 空闲分区 1A000H 作业C 分区4 3A000H 分区5 内存分区说明表 空闲分区

19. 动态分区(dynamic partitioning) • 动态分区：在装入作业和处理过程中，按其要求的内存容量以及当时的内存资源使用情况，将一块大小与所要求相近的存储区分配给作业。 • 优点：没有内部碎片。 • 缺点：有外部碎片。

20. Operating Operating Operating 128 K System System System 320 K 320 K Process 1 Process 1 Process 2 224 K 896 K 576 K 352 K

21. Operating Operating Operating System System System 320 K 320 K 320 K Process 1 Process 1 Process 1 128 K 224 K 224 K Process 4 Process 2 96 K Process 3 288 K Process 3 288 K Process 3 288 K 64 K 64 K 64 K

23. 动态分区管理： • 分区的数据结构：分区表，或分区链表 • 可以只记录空闲分区，也可以同时记录空闲和占用分区 • 单一分区表中，表项数目随着内存的分配和释放而动态改变，表长难以确定，分配回收分区时降低查找速度。 • 分区表可以划分为两个表：空闲分区表，使用分区表。从而减小每个表长度。空闲分区表（一般常用链表结构）中按不同分配算法相应对表项排序。 • 分区分配和释放算法

24. 分区分配算法和释放算法： • 分区分配算法：寻找某个空闲分区，其大小需大于或等于程序的要求。 • 分区释放算法：需要将相邻的空闲分区合并成一个空闲分区。(这时要解决的问题是：合并条件的判断和合并时机的选择)

25. 分区分配算法 • 最先匹配法(first-fit)：按分区的先后次序，从头查找，找到符合要求的第一个分区 • 该算法的分配和释放的时间性能较好，较大的空闲分区可以被保留在内存高端。 • 但随着低端分区不断划分而产生较多小分区，每次分配时查找时间开销会增大。 • 最佳匹配法(best-fit)：找到其大小与要求相差最小的空闲分区 • 从个别来看，外部碎片较小，但从整体来看，会形成较多外部碎片。较大的空闲分区可以被保留。 • 最差匹配法(worst-fit)：找到最大的空闲分区 • 基本不留下小空闲分区，但较大的空闲分区不被保留。

26. 动态重定位式分区分配 • 基本思想：分配算法与可变分区分配基本算法基本相同，并对作业进程分区进行搬迁，以形成大的连续的空闲分区。 • 特点：解决外部碎片问题的简单有效的方法 • 对占用分区进行内存数据搬移占用CPU时间 • 如果对占用分区中的程序进行“浮动”，则其重定位需要硬件支持（提供基址－界限寄存器对）。 • 实现空闲分区拼接的时机：每个分区释放后，或内存分配找不到满足条件的空闲分区时

27. 多重分区存储管理不拼接而解决碎片问题 • 基本思想：一个作业由一些相对独立的程序段和数据段组成，每个段占用一个连续分区，而相应的各分区之间不要求是连续的。 • 特点：有效地解决外部碎片问题 • 要求： • 相应的语言编译器能在作业的每个段内生成有效地址（各段相对于0编址） • 系统内设置多对基址－界限寄存器。 • 优点： • 可以实现分区共享 • 诸进程可以共享数据分区。

28. 4.3 覆盖和交换 覆盖(overlay) • 引入：其目标是在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。 • 基本思想:一个作业的若干程序段，或几个作业的某些部分共享同一存储区。 • 优点：解决小主存容量与大作业之间的矛盾。 • 缺点：实现覆盖管理的系统开销较大。

29. 覆盖技术 不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖。(即不同时用的模块可共用一个分区) • 注：另一种覆盖方法：(100K) • A(20K)占一个分区：20K； • B(50K)、D(20K)和E(40K)共用一个分区：50K； • F(30K)和C(30K)共用一个分区：30K；

30. 缺点： • 编程时必须划分程序模块和确定程序模块之间的覆盖关系，增加编程复杂度。 • 从外存装入覆盖文件，以时间延长来换取空间节省。

31. 交换(swapping) • 引入：解决主存容量不足的矛盾。多个程序并发执行，可以将暂时不能执行的程序送到外存中，从而获得空闲内存空间来装入新程序，或读入保存在外存中而目前到达就绪状态的进程。交换单位为整个进程的地址空间。常用于多道程序系统或小型分时系统中，与分区存储管理配合使用。又称作“对换”或“滚进/滚出(roll-in/roll-out)”。 • 基本思想:暂停执行内存中的进程，将整个进程的地址空间保存到外存的交换区中（换出swap out），而将外存中由阻塞变为就绪的进程的地址空间读入到内存中，并将该进程送到就绪队列（换入swap in）。

32. 优点：增加并发运行的程序数目，并且给用户提供适当的响应时间；编写程序时不影响程序结构。优点：增加并发运行的程序数目，并且给用户提供适当的响应时间；编写程序时不影响程序结构。 • 缺点： 对换入和换出的控制增加处理机开销；程序整个地址空间都进行传送，没有考虑执行过程中地址访问的统计特性。 • 考虑的问题： • 程序换入时的重定位； • 减少交换中传送的信息量，特别是对大程序； • 对外存交换区空间的管理：如动态分区方法；

33. 覆盖与交换的区别： • 覆盖由用户解决空间不足 • 交换由系统解决空间不足

34. 4.4 页面式存储管理 • 引入：避开作业的连续性要求，将一个作业存放在 不连续的存储空间中，以很好地解决碎片问题。 • 基本思想:系统把内存物理空间等分为若干大小相等、位置固定的块（或帧）。将程序的逻辑地址空间划分为与块大小相同的页或页面(page or page frame)，程序加载时，分配其所需的所有块，这些块不必连续。需要CPU的硬件支持。 地址空间分成大小相同的部分 –––页 存贮空间分成大小相同的部分 –––块(页帧) 页大小＝块大小

35. 页表(PMT)：又称页面映象表，记录一个作业程序的页号所对应的内存块号。页表(PMT)：又称页面映象表，记录一个作业程序的页号所对应的内存块号。 • 需要CPU的硬件支持。 页表包括：页号，块号 页号 块号 分配时页对应块，但不要求连续 0 2 1 3 2 8

36. 逻辑地址空间 页表 物理地址空间 0 20 0 1 22 1 页帧0 Operating System 作业1(4K) 页帧19 00000H 作业1（页0） 页帧20 0A800H 0 作业2（页0） 21 页帧21 0 0B000H 1 25 1 作业1（页1） 页帧22 0B800H 2 24 2 页帧23 0C000H 作业2(5K) 作业2（页2） 页帧24 0C800H 作业2（页1） 27 0 页帧25 0 0D000H 页帧26 作业3(1.8K) 页帧号 0D800H 作业3（页0） 页帧27 0E000H 页帧28 ……

37. 页面式存储管理硬件 • 地址变换：指令所给出地址分为两部分：逻辑页号，页内偏移地址－>查进程页表，得物理页号－>物理地址 • 页面大小：通常是几KB到几十KB（取2的幂）。 小－>内部碎片小；大－>页表短，管理开销小，交换时对外存I/O效率高。

38. 页式地址变换

39. 分页存储管理算法 • 作业表：记录每个作业的状态和资源使用情况，包括页表起始地址、页表长度。 • 空闲块表：页记录内存空闲块的帧号。以链表形式组织内存空闲块。 • 建立进程时，作业调度程序调用存储管理程序为作业进程分配存储空间。按作业请求的内存容量size计算要分配的块数N=size/size_page(上取整) • 一个作业终止时，系统调用存储管理程序，回收该作业释放的物理页，修改空闲存储块链表。

40. 4.5 请求式页面存储管理 • 引入：向用户提供大容量存储器，把内存和外存统一考虑，外存作为存储信息的主要媒介，内存作为处理机需要访问的数据缓冲区。 • 基本思想:运行一个作业程序时，并不要求把该作业的全部程序和数据都装入内存，可只把目前要执行的几页调入内存的空闲存储块，其余部分仍保存在外存，以后根据作业程序运行情况需要时再调入内存。 • 需解决的问题： • 提供一种机制，检测访问的页是否在内存，若不在，为之分配一物理页，修改页表项，并将逻辑页调入到物理页。 • 选择淘汰算法。

41. 分页故障处理 • 活动页：某一时刻驻留在内存的页，称为进程的活动页。 • 非活动页：某一时刻驻留在外存的页。 • 作业的页表项包括该页是否在内存的信息。 存在位p=1:该逻辑页在内存 p=0:该逻辑页在外存，对该逻辑页的任何访问都将产生“缺页故障”中断。 • 作业进程欲访问一条不在内存物理页中的指令或操作数时，由地址变换机构硬件产生“缺页故障”中断，并由缺页故障中断处理程序实现物理页的调入、调出操作。

42. 淘汰算法 • 当外存上某页信息需调入内存而内存中又无空闲存储块时，则需按某种淘汰算法从内存中选择一页将其内容淘汰。 • 淘汰算法不合理将产生抖动现象－－刚被调出的页马上又被要求调入。

43. 最佳淘汰算法：从内存中淘汰永远不再使用的页；如这样的页不存在，则选择最长时间不再被访问的页为淘汰页。最佳淘汰算法：从内存中淘汰永远不再使用的页；如这样的页不存在，则选择最长时间不再被访问的页为淘汰页。 • 老页：某时刻前，进程访问过的所有页 • 新页：某时刻，进程正在对某页进行第一次访问。 • 自然页流：老页中以后还要访问的页和新页构成进程的使用页集，使用页集的变动为进程的自然页流。 • 特点：仅有理论意义，实际不可实现 • 明确知道各将来时刻对各页的访问情况，很难。 • 内存容量有限，使得某些页过早淘汰。

44. 先进先出FIFO算法：采用先调入内存的页面先被淘汰的策略；即总选择驻留内存时间最长的一页淘汰。先进先出FIFO算法：采用先调入内存的页面先被淘汰的策略；即总选择驻留内存时间最长的一页淘汰。 • 原因：最早调入的页面不再使用的可能性要比最近调入的要大。 • 以调入内存的时间先后顺序组织一个进程现行使用的内存储块为FIFO队列 • 优点：仅在程序按线性顺序访问地址空间时才是理想的。 • 缺点： • 未考虑程序运行时的动态特性。 • 可能导致程序中常被访问的页，因其在内存中驻留时间最长而被淘汰。

45. 最近最少使用LRU(Least Recently Used) 算法：选择最近很长时间未被访问的一页淘汰。 • 原因：若一页刚被访问过，很可能最近还要被访问；若一页最近很长时间未被引用，则最近访问的可能性极小。 • 按照各页最近一次的访问时间进行排序 • 缺点：每访问一次要进行一次排序，系统开销大，难以实现。 • 近似LRU算法（第二次机会淘汰算法）

46. 举例： 设某作业占有7个页面，如果在主存中只允许装入4个工作页面(即工作集为4)，作业运行时，实际访问页面的顺序是1， 2， 3， 6， 4， 7， 3， 2， 1， 4， 7， 5， 6， 5， 2， 1。用FIFO与LRU页面调度算法，列出各自的页面淘汰顺序和缺页中断次数。(假设开始的4个页面已装入主存) FIFO： 页面淘汰顺序：1 2 3 6 4 7 缺页中断次数：6次 LRU： 页面淘汰顺序： 1 2 6 4 7 3 2 1 4 7 缺页中断次数： 10次 注：假定前面四页1 2 3 6 已在主存

47. 最少使用LFU(Least Frequently Used) 算法：淘汰在现在时刻之前某一段时间内访问频率最低的页。 • 原因：过去一段时间最经常访问的页，将来访问的可能性最大。 • 特点： • 需要为每个内存页面设置一个“访问次数计数器” ，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1； • 应禁止淘汰最近一个时间间隔内调入内存的新页； • 发生缺页中断时，淘汰计数值最小的页面，并将所有计数清零。

48. 分页虚拟存储管理调入策略 (fetch policy) 调入策略确定在外存中的页面调入时机。在虚拟页式管理中有两种常用策略。 • 请求调页(demand paging)：只调入发生缺页时所需的页面。 • 优点：容易实现。 • 缺点：对外存I/O次数多，开销较大 • 预调页(prepaging)：在发生缺页需要调入某页时，一次调入该页以及相邻的几个页。 • 优点：提高调页的I/O效率。 • 缺点：基于预测，若调入的页在以后很少被访问，则效率低。常用于程序装入时的调页。

49. 页面的共享与保护 1. 存储保护 由于存储保护检查是针对每个存储访问操作进行的，必须由相应的处理器硬件机构支持。 • 存储保护的目的： • 保护系统程序区不被用户侵犯（有意或无意的） • 不允许用户程序读写不属于自己地址空间的数据（系统区地址空间，其他用户程序的地址空间）

50. 存储保护类型 • 界限保护（上界寄存器/下界寄存器或基址寄存器/限长寄存器）：所有访问地址必须在上下界之间；每个进程都有自己独立的进程空间，如果一个进程在运行时所产生的地址在其地址空间之外，则发生地址越界。 • 访问方式保护（保护键）：通过保护键匹配来判断存储访问方式是否合法。对于允许多个进程共享的存储区域，每个进程都有自己的访问权限。如果一个进程对共享区域的访问违反了权限规定，则发生操作越权(即读写保护)。对每个内存区域指定一个键值和若干禁止的访问方式，进程中也指定键值，如果访问时键值不匹配而且是被禁止的访问方式，则出错； • 环保护：处理器状态分为多个环(ring)，分别具有不同的存储访问特权级别(privilege)，通常是级别高的在内环，编号小（如0环）级别最高；可访问同环或更低级别环的数据；可调用同环或更高级别环的服务。