内存管理
计算机按字节编制
装入的三种方式 内存管理
一:内存的基础知识
1:编译,链接,装入
源代码文件
编译:由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块(把高级语言翻译为机器语言)
链接:由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块 逻辑地址
装入(装载)exe:由装入程序将装入模块装入内存运行. 物理地址
2:链接的三种方式
3:装入的三种方式
1.1:绝对装入:在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。
*(只适用于单道程序环境)
1.2 静态重定位:又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址(地址变换是在装入时一次完成的)。 静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业。 作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动，也不能再申请内存空间。
1.3:动态重定位: 又称动态程序运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行 时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。
*采用动态重定位时允许程序在内存中发生移动
二:内存管理的概念
1:知识总览
2:操作系统作为资源的管理者,对内存进行管理时需要管理什么?
3:覆盖和交换技术
知识总览:
1:覆盖技术
1:引入覆盖技术的原因:用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题
2:覆盖技术的思想:将程序分为多个段(多个模块)。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出(除非运行结束)不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存 缺点:缺点:对用户不透明，增加了用户编程负担,只用于早期的操作系统中。
2:交换技术
设计思想:内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存(进程在内存与磁盘间动态调度).
暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态(挂起态，suspend),挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
Q:应该在外存(磁盘)的什么位置保存被换出的进程?
1:具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采 用离散分配方式;对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理 主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式(学过文件管理章节 后即可理解)。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
Q:应该什么时候交换?
交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如:在 发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程; 如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
Q:应该换出那些进程?
可优先换出阻塞进程;可换出优先级低的进程;为了防止优先级低的进程在被调 入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间...(注意:PCB 会常驻内存，不会被换出外存)
三:连续分配管理方式
1:知识总览
连续分配:指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间
2:单一连续分配
在单一连续分配方式中，内存被分为系统区和用户区。
系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据;用户区用于存放用户进程相关数据。内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。
优点:实现简单;无外部碎片;可以采用覆盖技术扩充内存;不一定需要采取内存保护
缺点:只能用于单用户、单任务的操作系统中;有内部碎片;存储器利用率极低。
3:固定分区分配
整个用户空间划分为若干个固定大小(相等或不相等)的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。
分区大小相等:缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计 算机控制多个相同对象的场合
分区大小不等:增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分
实现方式:
操作系统需要建立一个数据结构——分区说明表，来实现各个分区的分配与回 收。每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态(是否已分配)
优点:实现简单，无外部碎片。
缺点:a. 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采 用覆盖技术来解决，但这又会降低性能;b. 会产生内部碎片，内存利用率低。
4:动态分区分配
动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时， 根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的。
四种分配算法:
1:首次适应算法
算法思想:每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。如何实现:空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区
2:最佳适应算法
算法思想:由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区，即，优先使用更小的空闲区。
如何实现:空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
缺点:每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小的、难以利用的内存块。因此这种方法会产生很多的外部碎片。
3:最坏适应算法
又称 最大适应算法(Largest Fit) 算法思想:为了解决最佳适应算法的问题——即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时 优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用。 如何实现:空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区 表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
缺点:每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的 空闲区更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲区被 迅速用完。如果之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用了。
4:邻近适应算法
算法思想:首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
如何实现:空闲分区以地址递增的顺序排列(可排成一个循环链表)。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链(或空闲分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区
5:几种算法比较:
动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。可以通过紧凑(拼凑，Compaction)技术来解决外部碎片。
四:基本分页存储管理的基本概念
知识总览
1:什么是分页存储?
将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如:每个分区 4KB)，每个分区就是一个“页框”(页框=页帧=内存块=物理块=物理页面)。每个页框有一个编号，即“页框号”(页框 号=页帧号=内存块号=物理块号=物理页号)，页框号从0开始。
将进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分， 每个部分称为一个“页”或“页面” 。每个页面也有一个编号， 即“页号”，页号也是从0开始。
操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说，进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。
(注:进程的最后一个页面可能没有一个页框那么大。也就是说，分页存储有可能产生内部碎片，因此页框不能太大，否则 进程的逻辑 可能产生过大的内部碎片造成浪费)
2:页表
***页面大小 ↔ 页内偏移量位数->逻辑地址结构
更多的习题见课本
3:基本地址变换结构和快表
4:两级页表
5:分段和分页的对比
知识总览
页是信息的物理单位。分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可见的。
段是信息的逻辑单位。分页的主要目的是更好地满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段对用户是可见的，用户编程时需要显式地给出段名。
页的大小固定且由系统决定。段的长度却不固定，决定于用户编写的程序。
分页的用户进程地址空间是一维的，程序员只需给出一个记忆符即可表示一个地址。
分段的用户进程地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既要给出段名，也要给出段内地址。
分段比分页更容易实现信息的共享和保护。不能被修改的代码称为纯代码或可重入代码(不属于临界资源)，这样的代码是可以共享的。可修改的代码是不能共享的
访问一个逻辑地址需要几次访存?
分页(单级页表):第一次访存——查内存中的页表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存
分段:第一次访存——查内存中的段表，第二次访存——访问目标内存单元。总共两次访存
与分页系统类似，分段系统中也可以引入快表机构，将近期访问过的段表项放到快表中，这样可以少一次访问，加快地址变换速度。
6:段页式管理方式
7:虚拟内存
知识总览
易混知识点: 虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构(CPU寻址范围)确定的
虚拟内存的实际容量 = min(内存和外存容量之和，CPU寻址范围 )
8:请求分页管理
9:页面置换算法
各种算法比较:
10:页面分配策略
