存储管理--交换技术

存储管理

         无存储器抽象：最简单的存储器抽象就是无存储器抽象，直接对物理内存进行操作，这样的存储下很难实现多进程。对于一个进程来讲，因为所有的内存空间都可见，还是可以实现多线程的并行。这种情况下通常一个系统在任意时刻只能运行一个程序，等待用户键入一个命令，运行结束以后等待键入另一个命令，新的运行程序覆盖原来的内存空间。虽然没有内存抽象，运行多个程序还是有可能，这就需要操作系统吧当前内存的内容保存到磁盘文件中，然后读入另一个程序运行，保证同一时刻，只有一个程序在内存中。

         另一中解决方法以IBM360为例，就是把内存分为2k的块，每块分一个4位的保护键，保护键在CPU特殊寄存器中，如果进程访问保护键与程序状态字不符合的没存，硬件就会捕捉到。但是还是有重大缺陷，因为使用的是绝对地址，一个程序运行中运行另一个程序，可能就会产生错误，要避免的就是使用绝对地址的方法。

          用户程序能够访问内存每个字节，很容易破坏系统，而且运行多个系统也是困难的。有一个比较好的方法就是利用地址空间，地址空间是进程可用于寻址内存的一套集合，每个进程都有自己的内存空间，并且这个地址空间独立与其他进程。实现这种方法就需要CPU配置两个特殊硬件寄存器，基址寄存器和界限寄存器，基址寄存器存放的是进程的起始地址，界限寄存器存放的是程序的长度。这样的话每个进程使用的内存实际是相对的，对应的物理地址是使用的地址加上其实地址所对应的物理地址。这种方法的缺点就是每次访问内存都需要使用加法进行相加，没有特殊电路的情况下，比较费时间。

如果计算机内存足够大，大到能够容纳所有进程，但实际情况是这样的想法并不现实。帕金森定律就说：不管内存多大，程序都能够把它填满。这样也就面临这一个内存超载的问题，比较常用的策略就是交换技术和内存映射。

交换技术：把进程完成调入内存，运行一段时间以后再存入磁盘，空闲进程主要存储在磁盘上，进行周期性的唤醒。例如一个系统中，开始只有进程a，占用0-2000的内存。然后调入进程b占用2001-3000的内存，然后调入进程c，占用3001-4000的内存。然后释放进程a，调入进程d，进程d占用0-500的内存。释放进程b，如此进行调用内存。可以看出在交换期间，内存中形成多个空闲区域，如果对内存进行紧缩，把内存放在一起的话，又会比较占用CPU。而且还有一个问题，进程创建时候该分配多大的内存？如果程序运行期间内存固定不变，那么就很好办，准确的分配需要的大小。但是如果数据段可以增长，就会出现问题，如果与该进程相邻的是一个空闲的内存，那么就把该空闲内存配给进程。如果相邻的是一个程序，要么就需要把增长的进程移动到内存中一足够大的区域中，要么就需要把一个或多个进程交换出去，以便产生足够大的空间。如果内存已满，则挂起，直到有足够的空间为止。

动态分配内存的时候就产生一个空闲内存的管理问题：一般两种方法，位图发和空闲链表方法。

把内存按照一定的方法分成响应的单元，每个单元对应与位图中的一位，1表示占用，0表示空闲。如果选择比较校的分配单元，那么就比较占用位图，如果选择比较大的分配单元，那么位图会比较小，但是如果进程大小不是分配单元的整数被，最后一个单元就会产生一定的浪费。而且分配内存的时候就需要搜索图位，比较浪费时间。

另一中方法就是链表管理：维护一个记录已经分配内存段和空闲内存段的链表。链表中的一个节点包含一个进程，或者两个进程之间的空闲区域。链表指针按照地址排序，便于更新。按早地址顺序在链表中存放进程和空闲区域，有几种算法，假设是存储器知道进程需要多大的内存:方法一：首次适配算法，存储器搜索链表，直到找到一个足够打的空闲区域，把该空闲区域分为两部分，一部分供进程使用，另一部分形成新空间。方法二：下次适配算法：和首次适配算法线同，不同的是么次找到何时的空闲区域都记录位置，以便下次寻找空闲区域从上次结束地方开始。方法三：最佳适配算法：试图找到最接近实际需要空闲区域，以最好地去匹配可用空闲区域。最佳适配算法每次都需要搜整个链表，算法比较慢，而且浪费更多内存，因为产生很多零碎的内存。算法四：最差适配算法：总是分配最大的可用空间，使新空闲区域比较大，可以继续使用。当然也不是个好的算法。如果进程空间和空闲区域各自维护独立链表，四个算法速度都会提高，但是会增加复杂度和内存释放速度。如果各自维护，那么空闲内存可以按照大小进行排序，在寻找内存的时候可以快速的找到。另一种分配内存的方法就是快速适配算法：为那些常用大小空闲区域维护单独链表，一个链表维护所有的分配好的内存的头指针进行维护。但是在一个程序终止或者换出的时候，寻找它的相邻块，查看是否可以合并的过程就十分费时了，如果不合并，那么就会分裂出大量进程无法利用的小空闲区域。