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第4章 存储器管理

第4章 存储器管理

作者: i_2c86 | 来源:发表于2018-12-08 21:45 被阅读0次

    主存:保存进程运行时的程序和数据

    寄存器:速度最快,价格昂贵容量不大,一般以字为单位,只要存放指令一次操作的数据就够了 。

    高速缓存:将短时间内经常访问的部分数据从内存放到高速缓存中,减少CPU访问内存的时间,是基于程序局部性。

    磁盘缓存:内存的一部分,将频繁使用的一部分磁盘数据信息预读入在磁盘缓存,减少磁盘读写时间。

    存储器管理重点是内存管理,对其有效的管理直接影响存储器的利用率、系统性能。

    1)存储器资源的分配和回收

    2)地址变换(逻辑地址与物理地址的对应关系维护)

    3)存储共享和保护

    4)虚拟存储的调度算法

    1、程序的装入和链接

    1)地址的概念

    逻辑地址(相对地址,虚地址)

    用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码,目标代码中的指令地址是相对地址。

    一般首地址为0,其余指令中的地址都相对于首地址来编址。

    不能用逻辑地址在内存中读取信息

    物理地址(绝对地址,实地址)

    内存中存储单元的地址。

    物理地址可直接寻址被执行。

    2、连续分配方式

    为一个用户程序分配一个连续的内存空间

    20世纪六、七十年代的OS中,分类:

    (1)单一连续分配:内存分为系统区和用户区两部分:

    系统区:仅提供给OS使用,通常放在内存低址部分

    用户区:除系统区以外的全部内存空间,提供给用户使用。

    (2)固定分区分配:把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition),每个应用进程占用一个分区。操作系统占用其中一个分区。

    (3)动态分区分配:分区的大小不固定:在装入程序时根据进程实际需要,动态分配内存空间,即——需要多少划分多少。

    空闲分区表项:从1项到n项:

    内存会从初始的一个大分区不断被划分、回收从而形成内存中的多个分区。

    分区分配算法:动态分区方式,分区多、大小差异各不相同,此时把一个新作业装入内存,更需选择一个合适的分配算法,从空闲分区表/链中选出一合适分区

    首次适应算法FF

    循环首次适应算法

    最佳适应算法

    最差适应算法

    快速适应算法

    ①首次适应算法FF(first-fit)

    空闲分区排序:以地址递增的次序链接。

    检索:分配内存时,从链首开始顺序查找直至找到一个大小能满足要求的空闲分区;

    分配:从该分区中划出一块作业要求大小的内存空间分配给请求者,余下的空闲分区大小改变仍留在空闲链中。

    若从头到尾检索不到满足要求的分区则分配失败

    ②循环首次适应算法 (next-fit)

    空闲分区排序:按地址

    检索:从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找,直到找到一个能满足要求的空闲分区。为实现算法,需要:设置一个起始查寻指针、采用循环查找方式

    分配:分出需要的大小

    ③最佳适应算法 (best-fit):总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业,避免“大材小用”。

    空闲分区排序:所有空闲分区按容量从小到大排序成空闲分区表或链。

    检索:从表或链的头开始,找到的第一个满足的就分配

    分配:分出需要的大小

    ④最差适应算法/最坏匹配法(worst-fit):基本不留下小空闲分区,但会出现缺乏较大的空闲分区的情况。

    ⑤快速适应算法

    根据进程常用空间大小进行划分,相同大小的串成一个链,需管理多个各种不同大小的分区的链表。进程需要时,从最接近大小需求的链中摘一个分区。类似的:伙伴算法

    能快速找到合适分区,但链表信息会很多;实际上是空间换时间。

    伙伴系统

    分区大小有规定,且分区动态变化

    1.无论已分配还是空闲分区,大小都为2的k此幂。若整个可分配空间大小为2m,则1≤k≤m.

    2.随着系统运行,内存被不断划分,形成若干不连续的空闲分区。对每一类具有相同大小的空闲分区设置一双向链表,即会有k个链表,链表中的分区大小都是2m。

    3.进程申请n个大小的空间时,计算n= 2i。则找i对应的链表。若i大小的链表没有,则找i+1的链表。找到的分区对半划分后,一半用于分配,一半链接到较小一级的链表里去。

    4.一次分配和回收都可能对应多次的划分和合并。

    (4)动态重定位分区分配

    3. 基本分页存储管理方式

    1)页面的概念:内存划分成多个小单元,每个单元K大小,称(物理)块。作业也按K单位大小划分成片,称为页面。

    2)页表的概念:为了找到被离散分配到内存中的作业,记录每个作业各页映射到哪个物理块,形成的页面映射表,简称页表。

    规律:

    作业相对地址在分页下不同位置的数有一定的意义结构:

    页号+页内地址(即页内偏移)

    关键的计算是:根据系统页面大小找到不同意义二进制位的分界线。

    从地址中分析出页号后,地址映射只需要把页号改为对应物理块号,偏移不变,即可找到内存中实际位置。

    地址变换过程

    分页系统中,进程创建,放入内存,构建页表,在PCB中记录页表存放在内存的首地址及页表长度。

    1.运行某进程A时,将A进程PCB中的页表信息写入PTR中;

    2.每执行一条指令时,根据分页计算原理,得到指令页号X和内部偏移量Y;

    3.CPU高速访问PTR找到页表在哪里;

    4.查页表数据,得到X实际对应存放的物理块,完成地址映射计算,最终在内存找到该指令。

    访问内存的有效时间

    进程发出逻辑地址的访问请求,经过地址变换,到内存中找到对应的实际物理地址单元并取出数据,所需花费的总时间,称为内存的有效访问时间EAT(effective access time)

    设访问一次内存时间为t,则基本分页机制下EAT=2t,why?

    CPU操作一条指令需访问内存两次:

    访问内存中的页表(以计算指令所在的实际物理地址)

    访问指令内存地址

    4.基本分段存储管理方式

    分段存储管理:作业分成若干段,各段可离散放入内存,段内仍连续存放。

    1)分段系统的基本原理

    程序通过分段(segmentation)划分为多个模块,每个段定义一组逻辑信息。如代码段(主程序段main,子程序段X)、数据段D、栈段S等。

    3)分页和分段的主要区别

    1.需求:分页是出于系统管理的需要,是一种信息的物理划分单位,分段是出于用户应用的需要,是一种逻辑单位,通常包含一组意义相对完整的信息。

    一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处,而不会跨越两个段的分界处。

    2.大小:页大小是系统固定的,而段大小则通常不固定。分段没有内碎片,但连续存放段产生外碎片,可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。

    3.逻辑地址:

    分页是一维的,各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间;

    分段是二维的,各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。

    4.其他:通常段比页大,因而段表比页表短,可以缩短查找时间,提高访问速度。分段模式下,还可针对不同类型采取不同的保护;按段为单位来进行共享

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