存储管理——现代操作系统学习笔记

前言：操作系统需要对内存创建抽象模型以及管理内存，让程序员更方便的使用内存。

一、无内存抽象

在很久以前，程序员都直接访问物理内存，例如：mov r1,1000。

二、抽象：地址空间

1、概念：程序在内存可能会互相影响，甚至修改操作系统导致程序无法正常运行。所以，系统设计人员必须解决两个问题：保护以及重定位。因此将内存抽象为地址空间，地址空间是一个进程用于寻址内存的一套地址集合，进程与进程之间的地址空间相互独立。

2、基址与界限寄存器：每一个CPU配置一个基址寄存器和一个界限寄存器，每个进程拥有独自的寄存器值。每一个进程访问内存取出指令的时候，CPU把逻辑地址发送给地址总线前会与基址相加，然后检查是否大于界限寄存器的值，如果大于它，会发出错误中断执行。

3、交换技术：将所有进程一直保存在内存中，会极大的浪费内存空间。解决内存超载，最简单的策略是交换技术。将一个进程完整调入内存，使它运行一段时间后放回磁盘，空闲进程主要存储在磁盘上。

a.概念

ABCD表示四个进程，随着进程的运行，进程在磁盘与内存之间交换

固定分配：每个进程需要的内存空间不随时间变化 

动态分配：进程随着时间增长，可能之增长数据段，也有可能数据段和堆栈段一起增长。

b.动态管理

①使用位图的存储管理

这种方法，内存会被划分成规定大小的内存单元，每个单元对应位图的一位。0表示占用，1表示空闲（或者相反）。内存大小一定，位图大小与分配单元成反比。如果，进程的大小不是分配单元的整数倍，那么在最后一个分配单元中会有一定的内存被浪费。

②使用链表的存储管理

维护一个内存段以及空闲段的链表（双链表更好），链表的每个节点包含以下内容：空闲区或进程的指示标志，起始地址，长度以及下一个节点的地址。

实例：

当X进程撤销时，它会检查它前后两个节点，决定是以何种方式进行合并。在a中，节点数目不变，但是需要把X进程内存空间的所在节点的P改为H。

分配算法：当按照地址顺序在链表中存放进程和空闲区时，有几种算法从磁盘换入进程。

a.首次适配法

b.下次适配法

c.最佳适配法

d.最差适配法

...

三、虚拟内存技术

前言：程序具有局部性原则，每个程序拥有自己的地址空间，这些空间被分割成多个块，每一块称为一个页或者页面。每一页都有连续的地址，这些页被映射到物理内存。当程序引用到在物理空间的地址时，指令立即执行。如果引用到的地址不在物理空间时，那么由操作系统将缺失的页装入内存。

1、分页（一维线性，通过取模和求整可以得到地址）

a.当程序执行mov reg, 1000时，他把地址为1000的内存单元的内容复制到寄存器中。

b.由程序产生的地址为虚拟地址，他们构成了一个虚拟地址空间。在有虚拟内存的计算机上，这个地址被发送到内存管理单元中（MMU），MMU把虚拟地址映射为物理内存地址。

示例：一台计算机可以产生16位地址，地址范围为0到64k，且这些地址为虚拟地址。然后计算机只有32k的物理内存。因此，可以编写64k的程序，但是磁盘需要足够大的空间保存64k程序的完整副本。

c.虚拟地址空间按照固定大小划分为称为页面的若干单元，物理内存中对应的二单元称为页框(page frame)，页面大小与页框大小通常一样大。

d.如果MMU发现该页面没有被映射，那么CPU陷入到操作系统，这个陷阱称为缺页中断。

e.页表

①作为一种简单的实现，虚拟地址到物理地址可以概括如下：虚拟地址被分为虚拟页号和偏移量两部分

②页表相当于一个函数，，参数是虚拟页号，结果是页框号。

③页表项示例

2、分段（二维，必须要基址和偏移量才能得到地址）

a、分段概念

在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分成为多个段。逻辑地址由段名和段内地址组成。

b、段表

系统为每个进程简历一张段映射表，表项记录了该段在内存中的基址和段长度

3、段页式存储管理（三维，段号+段内页号+页内地址）

a、先将用户程序分段，然后把每个段划分成若干页，并为每个段赋名。

b、在这里，段表记录的是页表始址和页表长度·

c、获取一条指令需要三次访问内存

①访问内存中的段表，获得页表始址

②访问内存中的页表，获得物理块号，物理块号与页内地址形成物理地址

③读取内存中的数据