11 内存管理的基本概念

概述

存储器是计算机的重要组成部分。虽然存储器容量近年来在不断扩大，但是仍不能满足现代软件的发展需要，存储器仍然是一种宝贵而紧俏的资源。内存管理是操作系统设计中最复杂和重要的内容之一，它将直接影响到内存的利用率以及操作系统的性能。内存管理的功能包括：

• 1 ）内存空间的分配与回收
  由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，减轻程序员负担，提高编程效率。

• 2 ）地址转换
  在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。

• 3 ）内存空间的扩充
  利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。

• 4 ）存储保护
  保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰

在学习内存管理之前，首先学习其相关的基本概念：

程序的装入与链接

将一个用户源程序变成一个在内存中执行的程序，需要经过三个步骤：

• 首先，由编译程序(Compiler)将用户源代码编译成一个目标模块(Object Module)；
• 其次，由链接程序(Linker)将目标模块与其需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块(Load Module)；
• 最后，由装入程序(Loader)将装入模块装入内存。

1 装入

先介绍一个无需链接的单个目标程序的装入过程，该目标模块也就是装入模块。内存的装入模块在装入内存时，有三种方式：

• 1 ）绝对装入方式
  在编译时，如果知道程序将驻留在内存的某个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。绝对装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，故不需对程序和数据的地址进行修改。
  程序中所使用的绝对地址,可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。而通常情况下在程序中釆用的是符号地址，编译或汇编时再转换为绝对地址。绝对装入方式只适用于单道程序环境。

• 2 ）可重定位装入方式
  在多道程序环境下，多个目标模块的起始地址通常都是从0开始，程序中的其他地址都是相对于起始地址的，此时应釆用可重定位装入方式。根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定位，地址变换通常是在装入时一次完成的，所以又称为静态重定位。
  

  

• 3 ）动态运行时装入
  动态运行时装入，也称为动态重定位，程序在内存中如果发生移动，就需要釆用动态的装入方式。装入程序在把装入模块装入内存后，并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此，装入内存后的所有地址均为相对地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。
  

2 链接

源程序经过编译后，可得到一组目标模块，再利用链接程序将这组目标模块链接成装入模块。根据链接时间不同，可将链接分为三种方式：

• 1 ）静态链接
  在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开。

• 2 ）装入时动态链接
  将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，釆用边装入边链接的链接方式。
  其优点是：便于修改和更新（各目标模块分开存放，修改和更新各模块很方便），便于实现对目标模块的共享（OS容易将一个模块链接到几个应用模块上，实现多个应用模块对该目标模块的共享）。

• 3 ）运行时动态链接
  对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行的链接。
  凡是执行过程未被使用的目标模块，都不会被调入内存和链接到装入模块上，这样不仅加快程序的装入过程，而且节省了大量的内存空间。

逻辑地址空间与物理地址空间

编译后，每个目标模块都是从0号单元开始编址，称为该目标模块的逻辑地址（或相对地址）。逻辑地址空间是指一个源程序在编译或者连接装配后指令和数据所用的所有相对地址的空间。

用户程序和程序员只需知道逻辑地址，而内存管理的具体机制则是完全透明的，它们只有系统编程人员才会涉及。不同进程可以有相同的逻辑地址，不同进程相同的逻辑地址可以映射到主存的不同位置。

物理地址空间是指内存中物理单元的集合，它是地址转换的最终地址，进程在运行时执行指令和访问数据最后都要通过物理地址从主存中存取。当装入程序将可执行代码装入内存时，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址，这个过程称为地址重定位。

内存保护

内存分配前，需要保护操作系统不受用户进程的影响，同时保护用户进程不受其他用户进程的影响。通过釆用重定位寄存器和界地址寄存器来实现这种保护。

重定位寄存器含最小的物理地址值，界地址寄存器含逻辑地址值。每个逻辑地址值必须小于界地址寄存器；内存管理机构动态地将逻辑地址与界地址寄存器进行比较，如果未发生地址越界，则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址，再送交内存单元。

当CPU调度程序选择进程执行时，派遣程序会初始化重定位寄存器和界地址寄存器。每一个逻辑地址都需要与这两个寄存器进行核对，以保证操作系统和其他用户程序及数据不被该进程的运行所影响。

内部碎片与外部碎片

“碎片的内存”描述一个系统中所有不可用的空闲内存。在内存管理中，内部碎片是已经被分配出去的的内存空间大于请求所需的内存空间。外部碎片是指还没有分配出去，但是由于大小太小而无法分配给申请空间的新进程的内存空间空闲块。

例如：固定分区存在内部碎片，可变式分区分配会存在外部碎片；
页式虚拟存储系统存在内部碎片；段式虚拟存储系统，存在外部碎片。