[笔记]《操作系统精髓与设计原理》---(5)内存

内存管理

内存管理的需求

1.重定位
我们事先不知道程序会被放入哪个区域中，操作系统管理内存放入内存，因此很容易地访问到这些地址。
处理器硬件和操作系统软件必须能够通过某种方式把程序代码中的内存访问转换成实际的物理内存地址，并反映程序在内存中的当前位置。

2.保护
处理器必须能终止一下命令：

• 用户进程不能访问操作系统的任何部分，不论程序还是数据
• 进程中的程序不能跳转到另一个进程中的指令。
• 没特别许可，一个进程中的程序不能访问其他进程的数据区

内存保护必须由处理器（硬件）来满足。

3.共享
允许多个进程访问内存的同一部分。

4.逻辑组织

5.物理组织

分页

内存被划分成大小固定相等的块，每个进程也被分成同样大小的块，进程中称为页（page）的块可以指定到内存中称为页框（frame）的可用块。
页：进程块
页框：实际内存块。

操作系统为每个进程维护一个页表，页表给出了该进程的每一页对应的页框的位置。
程序中，每个逻辑地址包括1个页号和页中偏移量。
给出逻辑地址（页号，偏移量），处理器使用页表产生物理地址（页框号，偏移量）。

分段

把程序和相关数据划分到几个段（segment）中。
段有长度限制，并不要求所有程序的所有段的长度都相等，逻辑地址组成：段号、段偏移。

段表：相应段在内存的起始位置，段的长度。

例子：
n+m位地址，左边n为段号，右边m为偏移量，地址转换步骤：

1. 提取段号，逻辑地址左边n位。
2. 以段号为索引，查找该段的起始物理地址。
3. m为偏移，偏移和段长度进行比较，偏移大于段长度，地址无效。
4. 物理地址 = 起始物理地址 + 偏移量。

虚拟内存

硬件和控制结构
分页、分段特点：

• 进程中的所有内存都是逻辑地址，运行时动态转换成物理地址
• 一个进程可以划分成许多块（页和段），执行中，块不需要连续位于内存中。

进程只能在内存中执行，这个存储器称为实存储器，实存。但是程序员或用户感觉到的是一个更大的内存，通常分配在磁盘上，这称为虚拟内存。

页、段、页段

分段

允许程序员把内存视为多个地址空间组成或段组成，段的大小不相等，是动态的。内存访问以段号和偏移量的形式组成的地址。

优点：
• 简化不断增长的数据结构和处理，程序员事先不知道一个特定的数据结构会变多大，除非允许使用动态的段大小，否则必须进行猜测。对于段式虚存，这个数据结构可以分配到自己的段，需要时操作系统可以扩大或缩小这个段。
• 允许程序独立地改变或者重新编译，而不需求整个程序集合重新链接和重新加载。
• 有助于进程间的共享。程序猿可以在段中放置一个是用工具程序或者一个有用的数据表，供其他进程访问。
• 有助于保护。1个段可以被构造成包含明确定义的程序或者数据集，因而程序员或系统管理员可以更方便地指定访问权限。

段页

分段和分页都有它们的长处。
分页，对程序是透明的，它消除了外部碎片，移入移出内存的块是固定、大小相等，可以用更精致的存储管理算法。
分段，对程序员可见，具有处理不断增长的数据结构处理能力，支持共享和保护能力。

转换检测缓冲区（TLB）
每个虚存访问可能引起两次物理访问：
1. 取相应页表项
2. 取需要的数据
导致内存访问时间加倍，虚拟内存方案为页表项使用1个特殊的高速缓存，称为转换检测缓冲区（TLB）

操作系统管理策略

读写策略

• 请求策略：只有当访问到某页时才将该页取入内存，当进程第一次启动，会在一段时间出现大量的缺页中断；当越来越多的页被取入后，局部性原理表明大多数将来访问的页都是最近读取的页。因此，在一段时间后错误逐渐减少。
• 预先分页：利用大多数辅存设备（磁盘）的特点，如果一个进程的页被连续存储在辅存中，则一次读取许多连续的页比隔一段时间读取一页要更有效。

放置策略

置换策略

• 最佳（OPT）
• 最近最少使用(LRU，Least Recently Used)：置换内存中上次使用距当前最远的页。难以实现，给每页添加1个最后一次访问的时间戳，访问时更新，消耗大。
• 最近最不常用(LFU, Least Frequently Used)
• 先进先出(FIFO)：循环缓冲区，置换留在内存中时间最长的项。
• 时钟(Clock)：给每一页框添加附加位。首次装入内存、访问到都置1。需要置换时，查找使用位被置0的项，当遇到1时，置0；

驻留集管理

清除策略

加载控制