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第四章 存储器管理

存储器的层次结构

程序的装入和链接

如何从源程序变为在内存中可执行的程序

1. 编译
2. 链接
3. 装入

程序的装入方式

1. 绝对装入方式
2. 可重定位¹装入方式

3. 动态运行时装入方式

程序的链接方式

1. 静态链接
2. 装入时动态链接
3. 运行时动态链接

存储管理技术-分区（连续）

固定分区

1. 定义 系统初始启动时将内存划分为数目固定、尺寸固定的多个分区。这些分区的尺寸可以相等也可以不等。
2. 条件 系统需建立一张分区说明表或使用表，以记录分区号、分区大小、分区的起始地址及状态（已分配或未分配）。
3. 流程 当某个用户程序要装入内存时，通常将分区按大小进行排队，由内存分配程序检索分区说明表，从表中找出一个满足要求的尚未分配的分区分配该程序，同时修改说明表中相应分区的状态；若找不到大小足够的分区，则拒绝为该程序分配内存。程序执行完毕，释放占用的分区，管理程序修改说明表中相应分区的状态为未分配，实现内存资源的回收。
4. 缺点 作业的大小并不一定与某个分区大小相等，从而使一部分存储空间被浪费，产生内零头²，所以主存的利用率不高。分区尺寸固定,系统无法运行大程序；分区数目固定,使活动进程的数目受限。

动态分区

1. 定义 动态分区分配是一种动态划分存储器的分区方法。内存不是预先划分好的，作业装入时，根据作业的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。
2. 条件 系统需要建立空闲分区表（和空闲分区链），用来登记系统中的空闲分区（分区号、分区起始地址、分区大小及状态）。以及需要特定的分区分配算法；
3. 流程
4. 缺点 容易产生外零头³，需要较好的匹配算法支持。

5. 分配算法 a.基于顺序搜索的动态分区分配算法

• 首次适应算法
• 循环首次适应算法
• 最佳适应算法
• 最坏适应算法 b.基于索引搜索的动态分区分配算法
• 快速适应算法
• 伙伴系统
• 哈希算法

6. 涉及到的寄存器（存储保护）

• 基址寄存器
• 界限寄存器

7. 覆盖与对换 覆盖可减少一个进程运行所需的空间。对换可让整个进程暂存于外存中，让出内存空间。 覆盖是由程序员实现的，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。对换技术不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构。 覆盖技术主要在同一个作业或进程中进行。对换主要在作业或进程之间进行。

存储管理技术-分页（离散）

简单分页

1. 定义 将一个用户进程的地址空间（逻辑空间）划分成若干个大小相等的区域，称为页或页面，各页从 0 开始编号。内存空间也分成若干个与页大小相等的区域，称为块（物理块）或页框（frame），同样从 0 开始编号。在为进程分配内存时以块为单位，将进程中若干页装入到多个不相邻的块中，最后一页常装不满一块而出现页内碎片。在分页存储管理方式中，如果不具备页面对换功能，不支持虚拟存储器功能，这种存储管理方式称为纯分页或基本分页存储管理方式。
2. 条件 需要建立页表、以及需要寄存器的配合（硬件地址转换）。 逻辑地址：页号＋页内偏移 物理地址：块号＋块内偏移
3. 页表 a.为了便于在内存找到进程的每个页面所对应块，分页系统中为每个进程配置一张页表，进程逻辑地址空间中的每一页，在页表中都对应一个页表项。页表项的长度一般是由操作系统决定的。（具体页表项中都包含什么不再讨论） c.页表存放在内存中，属于进程的现场信息。用途：①记录进程的内存分配情况 ②实现进程运行时的动态重定位。 d.访问一个数据需访问内存 2 次 (页表一次，内存一次)。页表的基址及长度由页表寄存器给出。
4. 页面的大小
5. 多级页表 为了解决大页表问题。
6. 反置页表 是为每一个物理块设置一个页表项并按物理块号排序，其中的内容是页号 P 及隶属进程标志符 pid。

地址变换机构

作用：将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址。实现逻辑地址向物理地址的转换（页号 ⇒ 块号）。地址变换借助页表来完成。

1. 基本地址变换机构
2. 具有快表的地址变换机构 基本地址变换存在的问题：地址变换速度低（两次访问内存） 目的：为提高地址变换速度。 定义：又称为联想寄存器、联想存储器 (Associative Memory) 、IBM-TLB(Translation Lookaside Buffer)。快表是一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），内容是页表中的一部分或全部内容。 流程：CPU 产生逻辑地址的页号，首先在快表中寻找，若命中就找出其对应的物理块；若未命中，再到页表中找其对应的物理块，并将之复制到快表。若快表中内容满，则按某种算法淘汰某些页。

访问内存的有效时间

虚拟存储分页

存储管理技术-分段（离散）

引入的必要性：方便编程、信息共享、信息保护、动态增长、动态链接

简单分段

1. 定义 将用户作业的逻辑地址空间划分成若干个大小不等的段（由用户根据逻辑信息的相对完整来划分）。各段有段名（常用段号代替），首地址为 0。
2. 条件 需要段表（内存中）。
3. 维度 整个作业的地址空间由于是分成多个段，，因而是二维的，逻辑地址由段号和段内地址所组成。

段页式

1. 引入： 分页活动源于系统管理物理内存的需要，在系统内部进行，由系统实施，用户看不见。 分段活动源于用户进行模块化程序设计的需要，在系统外部进行，由用户实施，用户是知道的。
2. 地址结构
3. 段表和页表 系统中设段表和页表，均存放于内存中。读一字节的指令或数据须访问内存三次。为提高执行速度可增设高速缓冲寄存器。 每个进程一张段表，每个段一张页表。 段表含段号、页表始址和页表长度。页表含页号和块号。
4. 流程

虚拟存储分段

Footnotes

1. 重定位：由于一个作业装入到与其地址空间不一致的存储空间所引起的，需对其有关地址部分进行调整的过程就称为重定位（实质是一个地址变换过程/地址映射过程）。分为静态、动态两种方式；静：软件实现，动：软硬（寄存器支持）结合。 ↩

2. 内零头是指分配给作业的存储空间中未被利用的部分。 ↩

3. 外零头是指系统中无法利用的小存储块。 ↩