内存管理
第八章 内存管理
1.背景
1）内存：
由存储单元（字节或字）组成的一维连续地址空间；
由顺序编址的块组成，每块包含相应的物理单元；
用来存放当前正在运行的程序的代码或数据；
是程序中指令本身（程序计数器）所指向的存储空间。
内存可以分为：
系统区：用于存放操作系统。
用户区：用于装入并存放用户程序和数据。
防止用户进程越界，只访问其合法空间办法：基地址寄存器（存放最低合法物理内存地址），界限地址寄存器（偏移量）
2）指令与数据进行地址绑定：
1.编译时期 如果内存位置已知，可生成绝对代码；如果开始位置改变，需要重新编译代码。
2.加载时期 如果存储位置在编译时不知道，则必须生成可重定位代码。
3.执行时期 如果进程在执行时可以在内存中移动，则地址绑定要延迟到运行时。需要硬件对地址映射的支持，例如基址和限长寄存器。
3）逻辑地址与物理地址
逻辑地址与物理地址的映射方法：
静态地址重定位：在虚拟空间程序执行之前由装配程序完成地址映射工作。
优点:容易实现，无需硬件支持。
缺点:
1.程序经地址重定位后就不能移动了，因而不能重新分配内存，不利于内存的有效利用。
2.必须占用连续的内存空间，这就难以做到程序和数据的共享。
动态地址重定位： 在程序执行过程中，在CPU访问内存之前，将要访问的程序或数据地址转换成内存地址。
优点：
1.可以对内存进行非连续分配
对于同一进程的各分散程序段，只要把各程序段在内存中的首地址统一存放在不同的BR中，则可以由地址变换机构变换得到正确的内存地址。
2.动态重定位提供了实现虚拟存储的基础
动态重定位不要求在作业执行前为所有程序分配内存，也就是说，可以部分地、动态地分配内存。
3.有利于程序段的共享
缺点：
需要附加的硬件支持。
实现存储管理的软件算法比较复杂。
4）静态链接与动态链接
静态链接：为了程序正确执行，必须由连接装配程序把它们连接成一个可运行的目标程序
问题：花费时间，浪费空间
动态链接： 在程序开始运行时，只将主程序段装配好并调入内存，其它各段的装配是在主程序段的运行过程中逐步完成。每当需要调用一个新段时，再将这个新段装配好，并与主程序段链接
2.交换
进程可以从内存中暂时交换到备份存储上，当需要执行再交换回来。
滚入，滚出—交换的操作：在基于优先级的算法中，低优先级的进程被换出，这样高优先级的进可以被装入和执行。
3.连续内存分配（单一连续分配）
1）内存映射与保护
CPU逻辑地址先与界限地址寄存器比较，若相比较小则没有超出界限可以与重定位寄存器相加得到物理地址；否则地址错误。
2）内存分配办法：
固定分区法（将内存分为固定大小的分区，每个分区可以容纳一个进程）
特点：管理简单，系统开销小
不灵活、大程序可能无法装入
利用率低，浪费，内部碎片大
可变分区法（这里需要看课件或者书）
一开始所有内存都可被应用，称为孔，有进程需要时就查找足够大的孔。
选择空闲孔的办法：
1首次适应：寻找第一个足够大的孔。
l 优点:
l 1.算法简单
l 2.由于每次从低地址开始分配,高地址部分的大的空闲区被划分的机会比较少,比较容易满足大作业的需要空
l 缺点:
.留下碎片造成存储空间浪费
2.最佳适应：分配最小的足够大的孔。
l 优点:
l 1.先使用小存储区,以便把大存储区留给大的作业
l 缺点:
l 1.每次都要按空闲区大小重新调整可用表或*链,算法复杂
l 2.留下无法利用的小碎片造成存储空间浪费
3.最差适应：分配最大的孔
l 优点:
l 1.避免留下无法利用的小碎片造成存储空间浪费
l 缺点:
1.每次都要按空闲区大小重新调整可用表或*链,算法复杂
3）碎片
外部碎片：（首次适应与最佳适应均会留下外部碎片）随着进程装入载出内存剩余的空闲空间被分割为小片段。
内部碎片：进程所分配的内存大于所需要的内存。
解决办法：紧缩（移动内存内容，合并成一块）。
4.分页（不具备用户视角，映射对用户不可见）
分页允许进程的物理地址空间可以是非连续的。
1）基本方法
将物理内存分为固定大小的块（称为帧）；将逻辑内存分成同样大小的块（称为页）；执行一个大小为n页的进程，要发现n个空闲帧并把程序装入其中。
分页技术不会产生外部碎片，只会有少量内部碎片。
2）页物理地址与逻辑地址的转换（这个需要记忆啊）
逻辑地址%页大小=页偏移 逻辑地址/页大小=页号（对应帧号）
物理地址=对应帧号*块大小+页偏移
3）分页的硬件支持
(PTBR) 页表基址寄存器指向页表
(PRLR) 页表长度寄存器定义页表的大小
(TLBs)关联的快速内存，特殊的硬件缓冲，也称相联存储器或转换表缓冲区
页号在TLB中被找到概率：命中率。
4）内存保护
通过每个帧相关联的保护位来实现
1.一位用来定义页是可读写的还是只读的。
2.一位与页表中的每一条目关联：有效无效位，有效说明在进程的逻辑地址空间中
5）共享页
进程之间的共享只读代码（可重入代码，纯代码）留一份拷贝，放到共享页中。
5.页表结构（需要看课件书）
1.层次页表（P256）
将大页表进行分层
多级页表结构
2.哈希页表
算法：虚拟地址中的虚拟页号转换到哈希表中，用虚拟页号与链表中的每一个元素的第一个域比较，如果相等，就用第二个域来形成物理地址。（P258）
3.反向页表（P259）
反向页表中对于每个真正的内存页或帧才有一个条目
表项包含真正内存地址的页的虚拟地址，它包括拥有这个页的进程的信息
这样从两方限定了页表范围。
6.分段（体现用户视角，映射对用户可见）
1)基本方法
逻辑地址空间是由一组段组成，每个段都有自己的名称长度。地址指定了段名称，段内偏移。用户可以指定两者。
实现机制：段表，每个条目均有段基地址和段界限。
2）硬件结构
(STBR)段表基址寄存器指向内存中的段表地址
(STLR)段表长度寄存器指出进程中的段数
3）段物理地址与逻辑地址转换
段号用作段表的索引，段偏移小于段界限时，偏移与段基地址相加为物理地址。