操作系统—第三章 内存管理
3.1内存管理概念
操作系统对内存的划分和动态分配
主要功能：
- 内存空间的分配与回收
- 地址变换：将逻辑地址转换成相应的物理地址
- 内存空间的扩充：利用虚拟存储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：保证各个进程在各自的存储空间内运行，互不干扰
逻辑地址与物理地址
1.相对地址（逻辑地址）
指每个模块都从0号开始编址，不同进程可以拥有相同的逻辑地址，这些相同的逻辑地址可以映射到主存的不同位置
链接程序：将各个模块链接成一个完整的可执行目标程序，顺序依次给各个模块相对地址构成统一的从0号单元开始编址的逻辑地址空间（虚拟地址空间）
2.物理地址空间：
内存中物理单元的集合，是地址转换的最终地址
当装入程序将可执行代码装入内存时，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址，这个过程称为地址重定位
3.内存管理部件MMU
将进程使用的逻辑地址转换为物理地址
程序的链接与装入
将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几个步骤：
- 编译：由编译程序将用户源代码编译成若干目标模块
- 链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及它们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
程序的装入
将一个装入模块装入内存时，有以下三种装入方式
1.绝对装入
- 只适用于单道程序环境
- 知道程序将放到内存的哪个位置，编译程序产生绝对地址的目标代码
- 程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同
2.可重定位装入（静态重定位）
- 装入时对目标程序中的相对地址的修改过程称为重定位
- 只能对程序中的地址进行一次修改，而不能动态调整
- 必须分配连续内存空间
3.动态运行时装入（动态重定位）
-
将地址转换推迟到程序真正要执行时才进行，装入内存后的所有地址均为相对地址
-
这种方式需要：
- 重定位寄存器（也称基址寄存器），存放进程的基地址，整个系统中只设置一个
- 可重定位装入程序，在重定位的过程中执行
- 地址变换机构，将指令中的逻辑地址与重定位寄存器中的基地址相加得到物理地址
-
优点：
- 可以将程序分配到不连续的存储器；
- 根据需要动态申请分配内存；
- 便于程序段的共享
- 能保证一个程序在主存中被改变存放位置后仍能正常执行
程序的链接
1.静态链接
在程序运行之前，先将个目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的装入模块，以后不再拆开
2.装入时动态链接
再装入模块时，采用边装入边链接的方式
优点：便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享（“目标模块的共享”指的是在多个程序或模块之间复用同一个目标文件（编译产物），或者在运行时多个程序共享同一段目标模块的代码和数据，以提高效率、节省资源。）
3.运行时动态链接
在程序执行中需要某目标模块时，才对它进行链接
优点：能加快程序的装入过程，还可节省空间
进程的内存映射
当一个程序调入内存运行时，就构成了进程的内存映射，一个进程的内存映射一般有几个要素：
- 代码段
- 数据段
- 进程控制块PCB
- 堆
- 栈
内存保护
确保每个进程都有一个单独的内存空间，需要由操作系统和硬件机构合作完成
上下限地址保护
在CPU中设置一对上下限寄存器，存放用户进程在主存中的下限和上限地址
界地址保护
采用重定位寄存器（也称基地址寄存器）和界地址寄存器（也称限长寄存器）进行越界检查
- 重定位寄存器存放进程的起始物理地址
- 界地址寄存器存放进程最大逻辑地址
内存管理部件MMU将逻辑地址与界地址寄存器进行比较，未越界则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址
内存共享
只有只读的区域才可以共享
可重入代码（纯代码）
允许多个进程同时访问但不允许被任何进程修改的代码
**最大的优点：**减少了对程序段的调入/调出，减少了对换数量
数据区
将在执行中可能改变的部分复制到数据区，程序在执行时只需对该私有数据区中的内存进行修改，并不去改变共享的代码
连续分配方式
指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，主要包括：
1.单一连续分配
内存被分为系统区和用户区
- 系统区仅供操作系统使用，通常在低地址部分
- 用户区内存中仅有一道程序，即用户程序独占整个用户区
**优点：**简单、五外部碎片；不需要进行内存保护
**缺点：**只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；内存的利用率极低
2.固定分区分配
最简单的一种多道程序存储管理方式，将用户内存空间提前划分为若干固定大小的分区，每个分区只装入一道作业
- 分区大小相等
- 分区大小不等
**优点：**无外部碎片
缺点：内存的利用率低，并存在两个问题①程序太大而放不进任何一个分区②程序小于固定分区大小也要占用一个完整的内存分区，存在空间浪费，这种现象称为内部碎片
3.动态分区分配（可变分区分配）
基本原理
根据进程的实际需要，动态地为之分配内存，
随着时间的推移，内存中会产生越来越多的小内存块，内存的利用率也随之下降，这些小内存块被称为外部碎片
虽然动态分区分配分配的是连续的物理空间，但每个进程仍使用从 0 开始的逻辑地址空间，所以仍需要硬件地址变换机构（基址 + 限长寄存器）来把逻辑地址转为物理地址，并实现内存保护。
内存回收
设这一张空闲分区链表，可以按始址排序
若有相邻的空闲分区，则合并两个分区，并修改为一个分区表项
若没有相邻的空闲分区，为回收区新建一个表项，插入空闲分区链
基于顺序搜索的分配算法
依次搜索空闲分区链上的空闲分区，以寻找一个大小满足要求的分区
- 首次适应算法：空闲分区按地址递增的次序排列，每次顺序找到第一个能满足大小
- 邻近适应算法（循环适应算法）：按地址递增排序，分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找
- 最佳适应算法：空闲分区按容量递增的次序排序，每次顺序找到能满足大小的最小空闲分区分配给作业
- 最坏适应算法：空闲分区按容量递减的次序排序，每次从最大的空闲分区中分割一部分空间给作业
首次适应算法开销小，性能最好，回收分区也不需要对空闲分区重新排序
基于索引搜索的分配算法
思想：对于每类大小相同的空闲分区，单独设立一个空闲分区链，并设置一张索引表来管理这些空闲分区链。当为进程分配空间时，在索引表中查找所需空间大小对应的表项。在大、中型系统中往往采用索引分配算法
- 快速适应算法：首先从索引表中找到能容纳它的最小空闲分区链表，然后从链表中取下第一块进行分配
- **优点：**查找效率高、不会产生内存碎片
- **缺点：**回收内存时，需要有效地合并分区，算法复杂，系统开销大
- 伙伴系统：所有分区的大小均为2的k次幂，当需要大小为n的分区时（2i−1＜n≤2i2^{i-1}＜n≤2^i2i−1＜n≤2i），从大小为2i2^i2i开始往更大的的空闲分区链找，若找到的空闲分区链不是2i2^i2i，则将其等分开为两个分区，分区称为一对伙伴，其中一个用于分配，而将另一个加入大小为2i2^i2i的空闲分区链，回收时需要需要将相邻的空闲伙伴分区合并成更大的分区
- 哈希算法：构造一张以空闲分区大小为关键字的哈希表
基本分页存储管理（固定分区大小的非连续分配方式）
思想：将内存空间分为若干固定大小（如4KB）的分区，称为页框（也称为页帧或物理块）
如果知道主存大小和页框数量，则页框大小=主存大小/页框数量
进程的逻辑地址空间也分为与块大小相等的若干区域，称为页（也称为页面）
操作系统以页框为单位分配内存空间
**优点：**不产生外部碎片；进程只会在最后一个不完整的块申请一个主存块空间时，才产生主存碎片（主要是页内碎片）
块的大小相对分区要小很多，产生的内存碎片（也称页内碎片）相对进程很小
基本概念
页面和页面大小：
-
进程的逻辑地址空间中的每个页面有一个编号，称为页号，从0开始
-
内存空间中的每个页框也有一个编号，称为页框号（或物理块号），从0开始
-
要为每个页面分配内存中的可用页框
地址结构：
- 包含两部分：前一部分为页号，后一部分为页内偏移量
页号的位数表示了最多允许有多少页，也指一页可以存放多少个页表项
页内偏移量位数表示了每页大小
整个位数表示了主存的最大容量
页表（页面映射表）：
- 每个进程有一个页表，用于将它的逻辑地址空间映射到物理地址空间。
- 进程的每个页面对应一个页表项，每个页表项由页号和块号组成，记录了页面在内存中对应的物理块号
- 页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射
- 驻留在内存中
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
系统之设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存的始址F和页表长度M
查找页表的工作是由硬件自动完成的
变换过程：
- 计算页号P=逻辑地址A/页面大小L，页内偏移量W=A%L
- 若页号P≥页表长度M，则越界中断
- 页号P对应的页表项地址=页表始址F+页号P*页表项长度，查出物理块号（或页框号）b
- 计算物理地址E=bL+W
具有快表的地址变换机构
**快表（TLB，也称相联存储器）：**用来存放当前访问的若干页表项，以加快地址变换过程
主存中的页表称为慢表
变换过程：
- 将页号与快表中的所有页号进行比较，若找到读取物理块号，存取数据仅一次访存
- 若未找到，则要访问内存中的页表，并找到页表项后存入快表，存取数据需要两次访存
一般快表的命中率可达90%以上，快表的有效性基于著名的局部性原理
两级页表
进程在执行时不需要将所有页调入内存页框，也不应该将所有页表项都调入内存
解决页表内存大且需要连续的问题：①采用离散分配方式②只将部分页表项调入内存
**外层页表（也称页目录）：**为离散分配的页表再建立一张页表
需要在系统中增设一个外层页表寄存器（也称页目录基址寄存器），用于存放页目录始址
基本分段存储管理（不固定分区大小的非连续分配方式）
思想：每个段的长度不固定，根据实际需求动态分配，需要多少内存操作系统就分配多少内存
**优点：**不会产生内部碎片
**主要目的：**满足用户方便编程、分段共享、分段保护、动态链接、动态增长
基本概念
分段：
- 在用户编程时决定
- 分段把程序按逻辑模块划分，有利于程序的动态链接
- 动态链接是指：程序运行时，才将某些模块或库装入内存并连接，而不是在编译时就全部链接好。
- 分段存储管理的逻辑地址由段号S与段内偏移量W两部分组成
段表：
- 每个进程都有一张逻辑地址与内存空间映射的段表
- 每个段表项对应进程中的一段
- 段表项记录了该段在内存中的始址和段的长度
- 系统提供用户的物理地址空间大小=总空间大小-段表长度
地址变换机构
系统中设置一个段表寄存器，用于存放段表始址F和段表长度M
变换过程：
- 从逻辑地址A中取出段号S和段内偏移量W
- 若段号S≥段表长度M，则越界中断
- 段号P对应的段表项地址=段表始址F+段号P*段表项长度，取出段长C
- 若段内偏移量W≥段长C，则越界中断
- 取出该段表项的该段始址b
- 计算物理地址E=b+W
段的共享与保护
共享段表，所有共享的段都占一个表项，用来实现多个进程共享一段代码或数据
共享计数器count记录有多少进程正在共享该段，为0才回收该段所占的内存区
每个进程用自己进程的段号去访问该共享段
分页和分段的区别
- 页是信息的物理单位，分页的主要目的是提高内存利用率，是系统行为用户不可见
- 段时信息的逻辑单位，分段的主要目的时更好地满足用户需求，用户可见
- 页的大小固定且系统决定，段的大小不固定用户决定
- 分页管理的地址空间是一维的，分段管理的地址空间是二维的
段页式存储管理
分页能提高内存效率，分段能有利于共享和保护
段页式中进程的地址空间分为若干逻辑段，然后将各段分成若干大小固定的页
对内存的分配以物理块为单位
**实现原理：**用分段方法来分配和管理用户地址空间，用分页方法来管理物理存储空间
地址变换
- 通过段表查到页表始址
- 通过页表找到物理块号
- 形成物理地址
3.2虚拟内存管理
基本概念
传统存储器管理方式共同的特征：
- 一次性：全部装入内存后才能开始运行
- 驻留性
局部性原理
**高速缓存技术：**快表、页高速缓存、虚拟内存技术
- 时间局部性：某条指令一旦执行，不久后可能再次执行
- 空间局部性：某个存储单元被访问，不久后附近存储单元也将被访问
虚拟存储器的定义和特征
特点：
- 部分装入：仅将程序当前运行要用到的少数页面或段装入内存，而将其余部分留在外存
- 请求调页/段：当所访问的信息不在内存时，操作系统负责将所需信息从外存调入内存
- 页面置换（段置换）：当内存空间不够时，操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存
特征：
- 多次性：只将当前要运行的那部分程序和数据装入内存（虚拟存储器最重要的特征）
- 对换性：将暂不使用的程序和数据调出内存
- 虚拟性：逻辑上扩充内存容量
虚拟内存技术的实现
- 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：**内存、外存、页/段表机制、中断机构、地址变换机构
请求分页管理方式
为了实现请求分页，还需要页表机制、缺页中断机制、地址变换机构
1.页表机制
- 状态位P：标记该页是否已调入内存
- 访问字段A：记录本页一段时间的访问量/多久时间未被访问
- 修改位M：标记该页是否被修改过
- 外存地址：记录该页都的外存地址
2.缺页中断机制
每当要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断
3.地址变换机构
增加了产生和处理缺页中断，及从内存中换出一页的功能
页框分配
对于分页式的虚拟内存，操作系统需要决定都多少页，即决定给特定的进程分配几个页框
**驻留集：**给一个进程分配的页框的集合
内存分配策略
- 固定分配：系统一开始就给每个进程固定数量的页框，在运行过程中不再改变。
- 可变分配：系统在运行时可以根据实际情况（如缺页频率、进程状态）动态调整某个进程所拥有的页框数量。
- 局部置换：当进程发生缺页时，只允许从该进程自身的页框中选择一页淘汰。
- 全局置换：当进程发生缺页时，可以从所有进程的页框中任选一页进行淘汰，不局限于本进程。
固定分配 + 局部置换
- 最常见的组合
- 每个进程分配固定页框，只能替换自己
- 📌 优点：简单、进程间互不干扰
- 📌 缺点：某些进程页不够用频繁缺页，另一些进程页框可能被浪费
可变分配 + 局部置换
- 系统根据运行情况动态调整页框数
- 缺页时仍然只替换本进程的页
- 📌 优点：兼顾稳定性和效率，可结合工作集模型动态调整页框分配
可变分配 + 全局置换
- 页框数量可变，置换时可以选其他进程的页淘汰
- 📌 优点：全局命中率高，适合负载变化大的系统
- 📌 缺点：进程间存在强干扰，容易产生抖动（Thrashing）
为什么没有“固定分配 + 全局置换”？
- 固定分配要求进程页框数量固定不可变
- 全局置换意味着页框会被别的进程抢走，页框数变了 ➜ 和“固定”矛盾
📌 所以“固定分配 + 全局置换”逻辑上冲突，不存在
物理块调入算法
- 平均分配算法
- 按比例分配算法：按照进程大小按比例
- 优先权分配算法：重要紧迫的进程分配多
调入页面的时机
- 预调页策略：预测之后可能被访问的页面，将它们预先调入内存
- 请求调页策略：进程在运行中需要访问的页面不在内存，提出请求
从何处调入页面
- 系统拥有足够的对换区空间：文件全部存放对换区
- 系统缺少足够的对换区空间：将不会被修改的文件放文件区，可能被修改的部分换出时放在对换区
- UNIX方式：曾今运行过但被换出的页面放在对换区
页面置换算法
1.最佳置换算法（OPT）
选择淘汰以后永远不使用的页面，或是在最长时间内不再被访问的页面
2.先进先出页面置换算法（FIFO）
选择淘汰最早进入内存的页面
Belady异常：分配的物理块增多，缺页次数不减反增的异常现象，只有FIFO算法可能出现
3.最近最久未使用置换算法（LRU）
选择淘汰最近最长时间未使用的页面
该算法为每个页面设置一个访问字段，记录页面自上次被访问所经历的时间
4.时钟置换算法（CLOCK）
（1）简单的CLOCK置换算法（也称最久未用算法（NRU））