操作系统概念（高等教育出版社，第七版）复习——第八章：内存管理

第八章 内存管理

基础知识

背景

基地址寄存器：含有最小的合法物理内存地址。

界限地址寄存器：决定了范围大小。

地址绑定（地址映射）

将指令与数据绑定到内存地址有以下几种情况：

编译时、加载时、执行时。

逻辑地址

CPU所生成的地址。

物理地址

内存单元看到的地址（即加载到内存地址寄存器中的地址）。

动态加载

一个子程序只有在调用时才被加载。目的是为了获得更好的内存空间使用率。

动态链接

类似于动态加载，只是这里不是将加载延迟到运行时，而是将链接延迟到运行时。

交换

进程需要在内存中以便执行。不过进程可以暂时从内存中交换到备份存储上，当需要再次执行时再调回到内存中。

连续内存分配

将用户区划分成多个分区，每个分区每个时刻运行一道程序。支持多道程序设计技术。

两种分区管理技术：

静态分区管理、动态分区管理。

固定分区分配

系统初始化时，系统将内存分成多个分区：

分区的数目固定，分区的大小固定，每个分区每个时刻只能运行一道程序。

固定分区表：

记录各分区的位置、大小及使用情况，用于系统对分区进行管理。

内碎片（内零头）

地址映射及存储保护：

使用Relocation register，limit register。

动态分区管理

基本思想：

系统初始化时，只划分成一个分区，内存“按需分配”。

分区表：

对已分配的分区进行管理

空闲分区表：

对空闲分区进行管理

分区分配算法：

First-fit, Best-fit, Worst-fit。

地址映射与存储保护：

使用Relocation register，limit register。

外碎片（零头外）

孔

在可变分区管理里，可用内存区域称为孔。

新的孔与其他孔相邻，那么这些孔将被合并成大孔。

从一组可用孔中选取一个空闲孔的方法：

首次适应、最佳适应、最差适应。

首次适应

分配第一个足够大的孔

最佳适应

分配最小的足够大的孔

最差适应

分配最大的孔

碎片

首次适应与最佳适应可产生外部碎片、分页可产生内部碎片

分页（超级重要哦）

将物理内存分为固定大小的块，称为帧。

将逻辑内存分为同样大小的块，成为页。

逻辑地址÷页面大小=页号……页偏移

基本思想：

内存分块（页框，frame），作业分页（page），页与页框大小相等。

内存分配以页为单位。

一个作业在内存中的各页面可以分配不相邻的页框，但一个页面在内存中是连续的（在一个页框中）。

逻辑地址的格式：页号，页内偏移量。

页表－页号与页框号的对应关系。

内碎片。

需要记录块（页框）的使用情况（已分配的、空闲的）－例如位示图。

地址变换机构（过程）。

存储保护：

页号越界检查（或设置相应的标志位（有效位））

共享页的访问权限

页面共享：

通过页表实现

转换表缓冲区（TLB）

类比cache，会同时与所有键进行比较（并行查找）。

地址越界检查

1、在页表中对应每一页设置一个valid/invalidbit，用于检测页号是否越界；

2、或者将页号(P)与页表长度(PTL)比较，如果P>=PTL,则产生地址越界中断。

<注>页内偏移量（d）不需检测是否地址越界；

共享页

如果代码是可重入代码（或称为纯代码），则可以共享。

可重入代码是不能自我修改的代码，它从不会在执行期间改变。

可共享页码代码的逻辑地址相同才能共享

页表结构

层次页表、哈希页表、反置页表

分段

分段和分页的主要区别

页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外碎片，提高内存的利用率；或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要，而不是用户的需要；

段是信息的逻辑单位，它包含有一组其意义完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。

页的大小固定且由系统决定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的，因为一个系统只有一种大小的页面；

段的长度不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编译程序对源程序进行编译时，根据信息的性质来划分。

分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只须一个地址记忆符，即可表示一个地址；

分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

课后作业

1．

外部碎片：总内存空间存在，以满足请求，但它不是连续的。

内部碎片：分配内存可能略大于请求内存，此大小差异是内存内部的分区，不被使用。

 

3.

首次适应算法：212K放到500K里，417K放到600K里，112K放到288K（500-212），426K等待。

最佳适应算法：212K放到300K里，417K放到500K里，112K放到200K，426K放到600K。

最差适应算法：212K放到600K里，417K放到500K里，112K放到388K（600-212），426K等待。

最佳适应算法内存利用率最高。

 

4.

a.连续内存分配：当没有足够的空间给程序去扩大它已分配的内存空间时，将要求重新分配整个程序。

b.纯分段：当没有足够的空间给程序去扩大它已分配的内存空间时，将要求重新分配整个程序。

c.纯分页：在没有要求程序地址空间再分配的方案下，新页增加的分配是可能的。

 

5.

连续内存分配会产生外部碎片，因为地址空间是被连续分配的，当旧进程结束，新进程初始化的时候，洞会扩大。连续内存分配也不允许进程共享代码，因为一个进程的虚拟内存段是不被允许闯入不连续的段的。

纯段式分配也会产生外部碎片，因为在物理内存中，一个进程的段是被连续放置的，以及当死进程的段被新进程的段所替代时，碎片也将会产生。然而，段式分配可以使进程共享代码；比如，两个不同的进程可以共享一个代码段，但是有不同的数据段。

纯页式分配不会产生外部碎片，但会产生内部碎片。如果一页没有被完全利用，它就会产生内部碎片并且会产生空间浪费。页式分配也允许进程共享代码。

 

6.

地址在页式分配系统上是一个逻辑页号和一个偏移量。在逻辑页号的基础上产生一个物理页号，物理页通过搜索表被找到。因为操作系统控制这张表的内容，只有在这些物理页被分配到进程中时，它可以限制一个进程的进入。一个进程想要分配一个它所不拥有的页是不可能的，因为这一页在页表中不存在。为了允许这样的进入，操作系统只简单的需要准许入口给无进程内存被加到进程页表中。当两个或多个进程需要交换数据时，这是十分有用的。——它们只是读和写相同的物理地址（可能在多样的物理地址中）。在进程内通信时，这是十分高效的。

 

9.

a.400毫秒：200毫秒访问页表，200毫秒访问内存。

b.0.75×200+0.25×400=250毫秒

 

12.

a.0430+219=649

b.2300+10=2310

c.500>100非法地址

d.1327+400=1727

e.122>96非法地址

 

13.

在某些情况下，分页的页表可以变得足够大，可以简化内存分配问题（确保全部可以分

配固定大小的页，而不是可变大小的块），确保当前未使用的部分页表可以交换。

思考题

1、几个地址及相应的地址空间概念

逻辑地址（相对地址、虚地址）：编译及动态链接时使用的地址

物理地址（绝对地址、实地址）：实际运行时使用的内存地址

 

2、静态链接与动态链接

静态链接：

运行之前完成连接，将所有的程序模块链接起来，形成一个可执行文件，   运行时直接装入内存；

链接及装入过程费时，有些用不到的模块不需要链接及装入；

不便于模块的升级；

运行速度快；

动态链接：

运行时仅链接所需要的模块；

运行调用时进行链接；

减少了链接需要的时间；

节省内存空间；

便于模块的升级、共享；

 

3、静态装入与动态装入

静态装入：

运行前装入所有模块；

装入时费时，浪费内存；

但管理简单，运行时速度快

动态装入：

运行时可只装入主控模块；

其他模块被调用时再装入，提高了内存的利用率，只有需要的模块才被 装入；

管理复杂，运行时速度降低

 

4、分区管理中的几个分区算法

静态分区管理

固定分区：数目固定、大小固定

动态分区管理

首次适应（first-fit）：

分配第一个足够大的孔。查找可以从头开始，也可以从上次首次适  应结束时开始。一旦找到足够大的空闲孔，就可以停止。

最佳适应（best-fit）：

分配最小的足够大的孔。必须查找整个列表，除非列表按大小排序。   这种方法可以产生最小剩余孔。（升序）

最差适应（worst-fit）：

分配最大的孔。同样，必须查找整个列表，除非列表按大小排序。  这种方法可以产生最大剩余孔，该孔可能比最佳适应发放产生的较   小剩余孔更为有用。（降序）

 

5、Fragmentation

外碎片：内存空间被分为小片段，但不连续，无法分配

内碎片：分配内存大于使用内存，未被使用

 

6、分页、分段管理的基本思想

分页：

l  内存分块（页框，frame），作业分页（page），页与页框大小相等

内存分配以页为单位

l  一个作业在内存中的各页面可以分配不相邻的页框，但一个页面在内存中是连续的（在一个页框中）

l  逻辑地址的格式：页号，页内偏移量

l  页表－页号与页框号的对应关系

l  内碎片

l  需要记录块（页框）的使用情况（已分配的、空闲的）

分段：

l  作业分段，内存按动态分区管理

l  内存分配以段为单位

l  每个段都有一个段名和长度

l  一个作业在内存中可以不连续，但在一个段内是连续的

l  逻辑地址的格式：段号 ，段内偏移量

l  段表－段与段所在内存位置的对应关系

l  外碎片

 

7、分页、分段管理的地址变换过程；变换工作中硬件与软件的分工

分页：

l  当进程要访问某个逻辑地址中的数据或指令时，MMU中的分页地址变换机构会自动地将有效地址(相对地址)分为页号页内地址两部分，再以页号为索引去检索页表。

l  查找操作由硬件执行。

l  在执行检索之前，先将页号与页表长度进行比较，如果页号大于或等于页表长度，则表示本次所访问的地址已超越进程的地址空间，产生地址越界。

l  若未出现越界错误，则将页表始址与页号和页表项长度的乘积相加，便得到该表项在页表中的位置，于是可从中得到该页的物理块号，将之装入MAR中的高位部分，再将逻辑地址中页内偏移量送入MAR的低位部分。这样便完成了从逻辑地址到物理地址的变换。（或者将帧号与页内偏移量拼接后形成物理地址，再送入MAR）

OS与cpu的分工

（1）根据当前执行的进程的PCB保存的进程页表设置系统的PTBR及PTLR的内容；（软件）

（2）CPU对执行的指令进行解析，分离出欲访问存储单元的逻辑地址；（硬件）

（3）MMU将逻辑地址根据规定的页面大小分成页号（P）与页内偏移量（d）两部分；（MMU，硬件）

（4）根据页号P进行地址越界检查（MMU，硬件），如果产生地址越界，则对越界进行处理（软件）

（5）如果没有产生地址越界，则依据页号P查找页表，得到页号P所对应的物理帧号f；（MMU，硬件）

（5）将帧号f作为物理地址的高位部分，页内偏移量d作为物理地址的低位部分，形成逻辑地址所对应的物理地址，送入MAR；（硬件）

 

分段：

 

 

8、分页、分段管理的存储保护方法

分页：

l  页号越界检查（或设置相应的标志位（有效位））

l  共享页的访问权限

分段：

l  段号、段内偏移量的越界检查，段的访问权限

 

9、分页、分段管理的内存共享（方法、条件）

分页：

l  通过页表实现

分段：

l  共享段，相同段号

 

10、Structure of the Page Table（页表结构）

l  Hierarchical Paging（层次页表）

l  Hashed Page Tables （哈希页表）

l  Inverted Page Tables （反置页表）