op第四章1

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1、第四章 存储器管理,4.1 存储器的层次结构 4.2 程序的装入和链接 4.3 连续存储管理方案,第四章 存储器管理 4.1 存储器的层次结构,概述,计算机的存储体系结构,计算机为什么要使用存储器？,冯诺依曼原理,为什么要进行存储管理？,存储器一直以来都是较为珍贵的 系统资源，需要合理使用。,程序的逻辑空间和实际的物理空 间不甚相同，需要进行映射。,4.1.1 存储器的层次结构,1. 存储器的层次结构 在现代计算机系统 中，存储器是信息外理 的来源与归宿，占据重 要位置。但是，在现有 技术条件下，任何一种 存储装置，都无法同时 从速度与容量两方面， 满足用户的需求。实际 上它们组成了一个速度

2、由快到慢，容量由小到 大的存储装置层次。,访问、速度、频度,成本、容量,2.各种存储器,高速缓存Cache： 少量的、非常快速、昂贵、易变的,内存RAM： 若干兆字节、中等速度、中等价格、 易变的,磁盘： 数百兆或数千兆字节、低速、价廉、不易变的,由操作系统协调这些存储器的使用,4.1.2 存储管理的目的,1.使得用户和用户程序不涉及内存物理的细节。 2.自动完成用户程序的装入。 3.提高内存的利用率。 4.解决内存速度与CPU速度不匹配的问题。 5.实现内存共享。,方便使用者,有效利用存储资源,提高系统工作效率。,4.1.2 存储管理的任务 在现代操作系统中，存储管理的主要任务 有以下几个方

3、面：,地址变换(地址再定位),存储资源的分配和回收,存储共享和保护,存储器扩充,覆盖技术 交换技术,4.1.2 存储管理的任务,1)主存的分配、管理与回收：当用户需要内存时,系统为之分配相应的存储空间；不需要时，及时回收，以供其它用户使用。,2)内存共享：两个或多个进程共用内存中相同区域 目的：节省内存空间，提高内存利用率 实现进程通信（数据共享） 共享内容： 代码共享，要求代码为纯代码 数据共享,3)存储保护与安全： 确保多道程序都在各自分配到存储区域内操作，互不干扰， 防止一道程序破坏其它作业或系统文件的信息。 保护目的： 保护系统程序区不被用户侵犯 （有意或无意的） 不允许用户程序读写不

4、属于自己地址空间的数据 （系统区地址空间，其他用户程序的地址空间） 保护过程-防止地址越界 每个进程都有自己独立的进程空间，如果一个进程在运行时所产生的地址在其地址空间之外，则发生地址越界。即当程序要访问某个内存单元时，由硬件检查是否允许，如果允许则执行，否则产生地址越界中断，由操作系统进行相应处理。,4)“扩充”主存容量：为用户提供比主存物理空间大得多的地址空间，以至使用户感觉他的作业是在这样一个大的存储器中运行。,通过虚拟存储技术实现 用户在编制程序时，不应该受内存容量限制，所以要采用一定技术来“扩充”内存的容量，使用户得到比实际内存容量大的多的内存空间 具体实现是在硬件支持下，软硬件相互

5、协作，将内存和外存结合起来统一使用。通过这种方法把内存扩充，使用户在编制程序时不受内存限制,1.定位（存储分配）：为具体的程序和数据等分配存储单元或存储区工作。 2.映射：把逻辑地址转换为相应的物理地址的过程。 3.隔离：按存取权限把合法区与非法区分隔，实现存储保护。 4.物理地址（绝对地址，实地址）: 内存中存储单元的地址，可直接寻址,5) 地址重定位基本概念,5.逻辑地址（相对地址，虚地址）：用户的程序经过汇编或 编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式， 其首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址而编址。 不能用逻辑地址在内存中读取信息. 6.存储空间:主存中物理单元的集合,

6、物理（绝对）地址 的集合,由装配程序等生成. 7.地址空间:程序用来访问信息所用地址单元的集合,逻辑 （相对）地址的集合,由编译程序生成,5) 地址重定位基本概念,5) 地址重定位,基本概念,符号地址 /名地址,逻辑地址/相对地址 虚拟地址/程序地址,物理地址 /绝对地址,目标文件,定义：当程序被装入内存时，程序的逻辑地址被转换成内存的物理地址，这一过程称为地址重定位(由内存管理单元(MMU)完成)。,地址映射,Load A 200 3456 。 。,1200,物理地址空间,Load A data1 data1 3456,源程序,Load A 200 3456,0,100,200,编译 连接,

7、逻辑地址空间,BA=1000,图41名空间、地址空间、存储空间,常见的地址重定位技术,1.绝对装入(Absolute loading) / 固定地址再定位 程序的地址再定位是在程序执行之前被确定的，也就是在编译连接时直接生成实际存储器地址(物理地址)。在此，程序地址空间和内存地址空间是一一对应的。,逻辑地址,物理地址,一一对应,例如：单片机，MS-DOS中.com格式程序,优点：装入过程简单。缺点：与硬件的结构过于密切，缺乏灵活性。,优点：无需硬件支持，容易实现。早期的操作系统中大多数都采用这种方法。 缺点：必须分配连续的存储区域；执行期间不能扩充存储空间，也不能在内存中移动，内存利用率低，不

8、便于共享。,地址重定位,优点： 程序在执行期间可以换入和换出内存，可以解决内存紧张状态； 可以在内存中移动把内存中的碎片集中起来，可以充分利用空间； 不必给程序分配连续的内存空间，可以较好的利用较小的内存块； 若干用户可以共享同一程序，实现共享。 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。,第四章 存储器管理 4.2 程序的装入和链接,4.2 程序的装入和链接,图 4-2-1 对用户程序的处理步骤,4.2.1 程序的装入,1. 绝对装入方式,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。 但在由程序员直接给出绝对地址时，不仅要求程序员熟悉内存的使用情况，

9、而且一旦程序或数据被修改后，可能要改变程序中的所有地址。因此，通常是宁可在程序中采用符号地址，然后在编译或汇编时，再将这些符号地址转换为绝对地址。,图 4-2-2 作业装入内存时的情况,2. 可重定位装入方式,3. 动态运行时装入方式,动态运行时的装入程序，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都仍是相对地址。,图 4-2-3 程序链接示意图,1.静态链接方式,4.2.2 程序的链接,2.装入时动态链接,装入时动态链接方式有以下优点： 便于修改和更新。 (2)便于实现对目标模块的共享。,

10、3.运行时动态链接,这种链接方式是将对某些模块的链接推迟到执行时才执行，即，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存， 把它链接到调用者模块上。凡在执行过程中未被用到的目标模块，都不会被调入内存和被链接到装入模块上，这样不仅可加快程序的装入过程，而且可节省大量的内存空间。,第四章 存储器管理 4.3 连续存储管理方案,从操作系统的发展历史来看，存储管理主要有以下几种方案：,存储管理方案分类,分区存储管理方案：要求连续分配存储空间，且程序要一次性全部装入内存。简单，但是有比较严重的内碎块和外碎块。,段式存储管理方案。不要求连续分配存储空间，段和段之间

11、可以不连续，但程序需要一次性全部装入内存。有比较严重的外碎块。,页式存储管理方案。是一种不连续存储管理方案，也需要一次性全部装入内存。在逻辑地址空间和物理地址空间都采用分页的思想。缺点是每一个作业的最后一页有内碎块。,段页式存储管理方案：是一种不连续存储方案，段式存储管理和页式存储管理的结合。克服了纯分页和纯分段存储管理思想的缺点。,存储管理方案分类,交换技术和覆盖技术。,虚拟存储管理方案。,分区存储管理方案,分区存储管理： 是一种连续分配存储空间的管理方式。曾被广泛地应用于19601970年代的操作系统中。 思想：把内存分为一些大小相等或不等的分区(Partition)，装入时每个应用程序占

12、用一个或几个分区，操作系统占用其中一个分区。适用于多道程序系统和分时系统，支持多个程序并发执行。 分类 单一连续分区存储管理 固定分区管理 可变分区管理,4.3.1单一连续分区存储管理,在单道环境下，不管是单用户系统还是单道批处理系统，进程（作业）执行时除了系统占用一部分主存外，剩下的主存区域全部归它占用。主存可以划分为三部分： 内存分为两个区域，一个供操作系统使用，一个供用户使用，用户占用区是一个连续的存储区所以又称单一连续区存储管理。,单一连续分区存储管理,特点：一次只能装入一个程序，程序独占整个用户区，如果程序小于用户区，则剩余的空间浪费，如果大于，则无法装入。,优点：简单，适用于单用户

13、、 单任务的操作系统，不需要 复杂的硬件支持。 缺点：一个作业运行时要占 用整个内存地址空间，对内 存造成了很大的浪费，不支 持大作业。,单一连续区分配采用静态分配和静态重定位方式，亦即作业或进程一旦进入主存，就一直等到它运行结束后才能释放主存。如下图所示的主存分配与回收法。并且由装入程序检查其绝对地址是否超越，即可达到保护系统的目的。,工作流程,4.3.2固定分区管理 -支持多道程序技术,初始化内存空间,分区状态表,实现方法：,程序A,内碎片：指占用分区之内未被利用的空间。,下界寄存器,上界寄存器,已分配,分区4 分区3 分区2 分区1 操作系统,多个等待队列,单个等待队列,分区4 分区3

14、分区2 分区1 操作系统,图 4-3-2 固定分区示意图,4.3.2 固定分区管理,思想：预先不划分内存，当作业需要时向系统申请，系统从其中挖出一块给该作业，其大小等于作业所需内存的大小，然后将剩下的部分再作为空表块， 给下一次分配使用。,4.3.3 可变分区(Dynamic Partitioning),OS,Job1,Job2,Job3,Job4,Q: 如何管理这些空闲区？,内存管理：设置内存空闲块表记录了空闲区起始地址和长度 内存分配：动态分配 内存回收：当某一块归还后，前后空间合并，修改内存空闲块表,Q: 如何管理这些空闲区？,1. 分区分配中的数据结构,分区分配表（见图 4-3-5）

15、(2)空闲分区链,图 4-3-4 空闲链结构,0K,15K,38K,48K,68K,80K,110K,120K,空闲区表,已分配区表,分区分配表：,图 4-3-4 分区分配表,分配算法 按空闲块链接的方式不同，可以有以下四种算法：,分区存储管理方案,最佳适应法,最坏适应法,首次适应法,下次适应法（循环首次适应法）,最佳适应算法(best-fit) 分配方法： 将所有的空闲分区按照其容量递增的顺序排列，当要求分配一个空白分区时，由小到 大进行查找，找到最合适的分配。 释放方法： 在整个链表上搜索地址相邻的空闲区，合并后，再插入到合适的位置。 优点： 分配后所剩余的空白块会最小，较大的空闲分区会被

16、保留。 平均，只要查找一半的表格便能找到最佳适应的空白区； 如果有一个空白区的容量正好满足要求，则它 必被选中。 缺点：空白区一般不可能恰好满足要求，在分配之后的剩余部分通常非常小，以致小到无法使用，会形成较多外碎片。,最坏适应算法(worst-fit) 分配方法： 与最佳适应算法相反，将所有的空白分区按容量递减的的顺序排列，最前面的最大的空闲分区就是找到的分区。 释放方法：同于最佳适应算法(best-fit) 优点： 分配的时候，只需查找一次，就可以成功，分配的算法很快。 缺点： 最后剩余的分区会越来越小，不会保留较大的空闲分区，无法运行大程序。,首次适应算法(first-fit),分配方法：将所有的空闲分区按照地址递增的顺序排列，按照分区的先后次序，从头开始查找，符合要求的第一个分区就是要找的分区。,os,Job2,Job4,Job5,os,Job2,Job4,Job5,释放方法（回收）,规则：相