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内存空间的分配与回收。配合硬件进行地址转换工作把用户使用的逻辑地址转换成处理器能访问的物理地址。内存空间的共享与保护使得若干个进程能够同时访问公共程序所占的内存区同时能够防止多个程序在执行中互相干扰并保护区域内的信息不被破坏。当内存容量不足时操作系统要采取某种措施在不改变实际内存容量的前提下借助大容量的外存来解决内存不够用的问题。
一.地址变换 用户的程序通常使用高级语言编写的这个称为源程序。源程序不能被计算机直接执行而是需要通过编译程序或汇编程序编译获得目标程序。目标程序的地址不是内存的实际地址一般将目标程序的地址单元称为逻辑地址。程序运行的时候它将被装入内存地址空间的某些部分此时程序和数据的实际地址一般不可能与原来的逻辑地址一样将内存中的实际存储单元称为物理地址。物理地址的总体构成了用户实际程序运行的物理地址空间它是由存储器地址总线扫描出来的空间其大小取决于实际安装的内存容量。
为了保证程序的正确运行必须将程序和数据的逻辑地址转换为物理地址这一工作称为地址转换。地址转换的公式表示为物理地址起始的物理地址逻辑地址。
地址转换通常有两种方式静态转换和动态转换
静态转换是指在作业装入时由作业装入程序实现地址转换。其特点是容易实现无需增加硬件地址变化机构,缺点是:它要求为每一个程序分配一个连续的存储区在程序执行期间不能移动难以做到程序和数据的共享内存利用率低。
动态转换是指在程序执行过程中CPU访问程序和数据之前实现地址转换。在多道程序系统中可以用的内存空间常常被许多进程共享程序员编程时事先不可能知道程序执行时的位置而且必须允许程序因对换或空间搜集而被移动这些现象都需要程序的动态重定位。动态转换的优点是程序可以在内存中移动程序移动后只要将新的内存区域的首地址放进基址寄存器就可以了动态转换方式容易实现程序的共享有可能提供虚拟存储空间。
二.分区存储管理
分区管理是支持多道程序运行的最简单的一种内存管理方式主要有固定分区可变分区可重定位分区和多重分区四种方式。
1.固定分区
固定分区也称为静态分区是在作业装入之前内存就被划分为若干个分区。划分工作可以由系统管理员完成也可以由操作系统完成。一旦划分完成在系统运行期间不再重新划分。
固定分区的主要优点是实现技术简单适用于作业的大小和多少事先都比较清楚的系统中其缺点是由于每个分区只能存放一个作业所以内存的利用率不高内存碎片多。
2.可变分区
可变分区也称为动态分区是指在作业装入内存时从可用的内存中划出一块连续的区域分配给它形成一个新的分区且分区大小正好等于该作业的大小。可变分区中分区的大小和分区的个数都是可边的而且是根据作业的大小动态划分的。这种内存管理技术是固定分区的改进可以获得较大的灵活性提高了内存利用率。
可变分区在分配时首先找到一个足够大的空闲分区自由分区即这个空闲区的大小比作业要求的要大系统则将这个空闲分区分成两个部分一部分成为己分配的分区剩余的部分仍作为空闲区。
几种可变分区选择自由分区的分配策略
1首次适应算法。从空闲区表的第一个表目起查找该表把最先能够满足要求的空闲区分配给作业这种方法的目的在于减少查找时间。
2最佳适应算法。它从全部空闲区中找出能满足作业要求的且最小的空闲区这种方法能是碎片尽量小。
3最坏适应算法。从所有未分配的分区中挑选最大的且大于和等于作业大小的分区给要求的作业空闲区按由大到小排序每次查找从链头开始。
在针对存储空间利用情况的三种策略中首次适应算法可能比最佳适应算法好而首次适应算法和最佳适应算法一定比最坏适应算法好。
1.可重定位分区
可重定位分区分配是解决存储器碎片问题的简单有效的方法基本思想是在适当的时候把零散的空白区合并为一个大的空白分区称为拼接其实现方式是移动某些已分配区域中的信息使所有的分配都紧挨着存储器的一端而空白区在另一端。
2.多重分区
多重分区的思想是为一个作业分配一个以上的分区允许一个作业在其运行过程中动态地申请附加存储空间该空间不必和已有的作业分区相连接。多重分区的有点是便于使用共享子程序或者数据缺点是需要较多的硬件支持管理也比较复杂。
3.存储器保护
分区方式允许多道程序在内存中同时允许因此必须解决存储器保护问题。常用的方法有界地址保护和设置存储键保护。 三.段页式存储管理
1.页式存储管理
在分页存储管理中页帧可以是连续的也可以是不连续的。系统为每道作业建立一张页映射表称为页表)记录相应页在内存中对应的页帧号。这种管理方式消除了可变分区中紧致存储空间所带来的开销同时又能实现内存信息共享和虚拟存储技术。
在分页存储管理中地址结构由两部分组成分别是页号和页内位移页内地址)。地址变换机构的基本任务是利用页表把用户程序中的逻辑地址变换成内存中的物理地址。
2.段式存储管理
段式存储管理按用户作业中的自然段来划分逻辑空间每段占用连续的地址空间其逻辑地址是二维的由段号和段内地址组成。系统为每个作业建立一张段表记录该段在内存中的起始地址和段长各段可以存放在内存不同的分区中段的分配与回收与可变分区存储管理相同。段式存储管理的地址转换采用动态重定位方式地址转换机构取出逻辑地址的段号和段内地址根据段号检索段表找到该段对应的表目将该段的起始地址与段内地址相加得到绝对地址。段式存储管理也存在二次访存问题可以通过增设快表来解决。
段式存储管理和分页存储管理相似之处与区别
相同点都采用离散分配方式来提高内存利用率都要通过地址变换机构来实现地址变换。不同点 ( 1 ) 分页是一个单一的线性地址空间分段作业地址空间是二维的。 ( 2 ) 页是信息的物理单位大小固定分页活动是用户看不见的分页的目的是为了提高内存的利用率段是信息的逻辑单位其长度不定分段是用户可见的活动分段的目的是为了更好地满足用户的需要。( 3 ) 分页存储管理实现单段式虚拟存储系统而段式存储管理实现多段式虚拟存储系统。
3.段页式存储管理
段页式存储管理的基本思想是将段式存储管理与分页存储管理结合起来正好克服了各自存在的一些问题。段页式存储管理将作业分成若干段每个段分成若干页每段赋给一个段名为了实现地址转换必须为每个作业配置一张段表和若干页表。内存的分配与回收以页为单位进行。作业的逻辑是二维的包括段号和段内地址其中段内地址又包含页号和页内地址两部分。
四.虚拟存储管理
虚拟存储管理基本原理应用程序在运行之前不必全部装入内存仅需当前运行到的那部分程序和数据装入便可启动程序的运行其余部分仍然驻留在外存储上。当要执行的指令或访问的数据不在内存时再由操作系统通过请求调入功能将它们调入内存。这样可以使一个大的用户程序能够在较小的内存空间中运行从用户的角度看该系统具有的内存容量比实际的内存容量要大的多。将这种具有请求调入功能和置换功能能从逻辑上对内存容量加以扩充的存储器系统称为虚拟存储系统。
1.局部性原理
虚拟存储管理能够在作业信息不全部装入内存的情况下保证作业正确运行是利用了程序执行时的局部性原理。局限性原理是指程序在执行时呈现局部性规律即在一个较短的时间内程序的执行仅仅局限于某个部分。响应地它所访问的存储空间也仅仅局限于某个区域。
2.工作集
在虚拟存储管理中可能会出现这种情况即对于刚被替换出去的页立即又要被访问需要将它调入因无空闲内存又要替换另一页而后者是即将被访问的页于是造成了系统需花费大量的时间忙于进行这种频繁的页面交换致使系统的实际效率很低严重时导致系统瘫痪这种现象称为抖动现象。防止抖动现象有多种办法例如采取局部替换策略、引入工作集算法和挂起若干进程等。工作集是指在某段时间间隔内进程实际要访问的页面的集合。引入虚拟内存后程序只需有少量的内存就可运行但为了使程序有效地运行较少产生缺页必须使程序的工作集全部在内存中。
3.页面置换算法
当内存中没有空闲页面而又有程序和数据需要从外存中装入内存运行时就需要从内存中选出一个或多个页面淘汰出去以便新的程序和数据装入运行良好的页面置换算法应该淘汰那些被访问概率最低的页并将它移除内存。
1随机淘汰算法。无法确定那些页被访问的概率高低时随机选择某个页面淘汰。
2轮转算法。按照内存页面的编号循环换出内存中一个可以换出的页。
3先进先出FIFO。选择在内存驻留时间最长的一页淘汰。
4最近最久未使用算法LRU。当需要淘汰某一页时选择离当前最近的一段时间内最久没有使用过的页先淘汰。
5最近没有使用页面責换算法N U R )。在需要置换某一页时从那些最近的一个时期内未被访问的页任选一页置换。
6最优置换算法。选择那些永久不使用的或者在最长时间内不再被访问的页面置换出去。
7时钟页面替换算法Clock。使用页表中的引用位将作业已调入内存的页面构成循环队列用一个指针指向循环队列中的下一个将被替换的页面。
