存储管理-操作系统-程序员面试

操作系统-存储管理

4 存储管理

4.1 计算机存储体系结构

存储器是计算机体系结构的重要组成部分，其功能是保存指令和数据
存储层级结构

4.2 地址重定位

当程序被装入内存时，程序的逻辑地址被换成内存的物理地址。

动态再定位

程序在装入内存时，不修改程序的逻辑地址，程序在访问物理内存之前，载实时地将逻辑地址转换为物理地址。
优点：代码可在内存中移动，代码可不连续存放在内存
缺点：需要附加硬件支持，实现存储管理的软件算法比较复杂。

4.3 存储管理方案

分区存储管理方案

是一种连续分配存储空间的管理方案
分类：

1) 单一连续分区（一次只一个用户程序，独占整个用户区）

2) 固定分区（将内存分成固定块，存在内部碎片）

3) 可变分区（预先不分配，当作业需要装载时同系统申请内存空间，系统从其中挖出一块给作业，其大小等于作业所需内存的大小，然后将剩下的部分再作为空白块留给一次分配使用。 

 

4.3.1分区分配算法

最先适应算法（first-fit）

将空闲块按 地址增 顺序排，从中找到第一个合适的分区分配。
优点：尽可能利用地址的空闲去，而在高地址部分保存较大的空闲去，容易 满足大作业 ,释放时相邻空闲合并。
缺点：查找总是从表头找，因此前面的空闲去往往被分割的很小，查找次数增大，会产生外部碎片，这些碎片分散在内存的各处，不能集中使用，因而降低了存储器的利用率。

下次适用算法（next-fit 循环首次适应）

分配方法：将分区的先后次序，从上次分配的分区起查找。
释放方法：通first-fit
优点：使空闲分包更均匀，提高分配查找速度。
缺点：较大的空闲分区不易保留。

最佳适应算法（best-fit）

将空闲区按 容量增排列，当要求分配一个空白分区时，由小到达进行查找，找到最合适的分配。
释放：将整个链表上搜索地址相邻的空闲去，合并后，再插入到合适的位置。
优点：分配后所剩的空白区会最小，较大的空闲去会被保留。
缺点：空白区一般不可能加好满足要求，在分配之后的剩余部分通常小到无法使用，会形成较多碎片。

最坏适应算法

分配：按空白区容量减排列
释放：同最佳
优点：分配时只需要一次就可成功，分配的算法很快
缺点：最后剩余的分区会越来越小，不会保留较大的空闲去无法运行大程序。

释放方法

相邻合并，否则插入

可再定位式分区

又称浮动分区分配，是解决碎片问题的简单而有效的方法。
思想：移动所有被分配的分区，使之成为一个连续区域，而留下较大的空白区。

4.3.2 纯页式存储管理

分区存储管理方案要求 作业存储时必须连续存放 这样当作业大于当前最大空闲区时，即使有空闲区，也不能分配，从而降低了存储空间利用率。
为了解决此问题，引出了纯页式存储管理
如果作业能够被分割成若干块，分别存放在不同的空闲中，则存储空间利用率便可得以提升。

页面变换过程：

Q：为取一个数需几次访存？
R：2次
优点：程序可不必连续存放；没有外部碎片
缺点：程序要一次全部装入内存；依然存在 内部碎片。

4.3.3 引入段式存储

分页存储的不足

在分页存储管理中，经编译连接后得到一维地址结构，是从0开始编址的一个单一连续的逻辑地址空间，虽然操作系统可把程序划分成页面，但页面与源程序无逻辑关系，也就无法实现对源程序以模块为单位进行分配，共享和保护。

引入段式存储管理方式

1) 信息共享

2) 信息保护

3) 动态链接

4) 动态增长

按照逻辑单位进行划分，每段拥有独立的逻辑空间，在物理地址空间利用可变分区动态分配法。

优点：

1) 程序不必连续

2) 没有内部碎片

3) 便于实现共享，即允许若干个进程共享一个或多个段

缺点：

1) 作业要一次性全部装入内存

2) 存在外部碎片

段式存储于页式存储的区别

内容

页式存储

段式存储

划分依据

系统管理需要

用户应用需要

页/段大小

各页面大小相同

段的大小不固定

逻辑地址

只有一个逻辑地址空间

每个段一个独立的逻辑地址空间

页表/段表

页面较多，页表较长，查找费时

段较少，段表较短，查找速度快

碎片

存在内部碎片

存在外部碎片

内存共享

不支持

支持

存储扩充

不支持

不支持

4.3.4 段页式存储管理

 

4.4 虚拟存储技术

提出来源：
程序不是每一条指令都会在程序的一次运行中执行到，如：错误处理子程序、条件语句等。
程序中的指令有可能只执行一次，如：程序的初始化部分；在一段时间内，作业一般不会执行到所在程序全部指令，也不会存在绝大部分数据，执行的代码和要读取的数据往往集中在某些区域（例如一个循环里或一个数组中等等）。

原理

装入时只装入当前需要执行的某些区域，缺失时处理器通知OS将相应的区域装入内存，然后继续执行。

优点

1) 程序的大小可以突破内存容量限制，使得用户感觉到系统好像提供了一个容量极大的“主存”

2) 内存中容纳更多程序并发执行，系统效率得到提升。

4.5 虚拟页式存储技术

缺页中断---> 请求调页 ----> 页面置换

页面淘汰算法

功能：在可用页面不足时，确定内存中哪个物理页应该被淘汰
出发点：希望把未来不再使用的货短时间内较少使用的页面调出

1) 先进先出页面淘汰算法

2) 最近最少使用

3) 最近页面淘汰算法

4) 第二次机会淘汰算法

5) 页面缓冲算法