c++_存储空间管理概要

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1、存储空间管理,东南大学电气工程学院,定义,存储器的分级结构： 寄存器 高速缓冲存储器(缓存) 内存储器（简称内存、主存、物理存储器） 处理机能直接访问的存储器。用来存放系统和用户的程序和数据，其特点是存取速度快，存储方式是以新换旧，断电信息丢失。 外存储器（简称外存、辅助存储器） 处理机不能直接访问的存储器。用来存放用户的各种信息，存取速度相对内存而言要慢得多，但它可用来长期保存用户信息。 内存存储器管理 外存文件管理,存储器管理的功能（系统区和用户区，针对用户区） 存储空间的分配与管理； 地址重定位（逻辑地址与物理地址的对应关系） 存储保护 存储空间扩充：虚拟存储器技术以及各种调度算法。,存

2、储器管理,地址重定位 分区存储管理 覆盖和交换 页面式存储管理 请求式页面存储管理 段式存储管理 段页式存储管理,地址重定位,地址空间和存储空间,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来编址。 不能用逻辑地址在内存中读取信息。 物理地址（绝对地址，实地址）：内存中存储单元的地址。物理地址可直接寻址。 地址映射：将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址。,逻辑地址、物理地址和地址映射,地址映射,1100,Load A,1200,3456,。,。,。,1200,物理地址空

3、间,Load A,data1,data1 3456,源程序,Load A,200,3456,0,100,200,编译连接,逻辑地址空间,BA=1000,地址重定位,地址重定位：实现程序的相对地址空间到绝对地址空间之间的映射。 程序在成为进程前的准备工作 编辑：形成源文件(符号地址) 编译：形成目标模块(模块内符号地址解析) 链接：由多个目标模块或程序库生成可执行文件(模块间符号地址解析) 装入：构造PCB，形成进程(使用物理地址) 重定位方法： 静态重定位：是指在程序装入主存时已经完成了逻辑地址到物理地址的变换,在程序执行期间不会再发生变化. 动态重定位：在程序运行期间完成逻辑地址到物理地址的

4、变换.,地址重定位,分区存储管理,基本思想：将主存储空间划分成若干个连续的存储区，称为分区。每个分区只能存储一道程序，一个程序只能访问其所在分区的存储单元。,单一连续区存储管理 适用于单道程序系统 内存分为两个连续区域：系统区，用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。 最简单，适用于单道程序设计的OS。 优点：易于管理。 缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费（空闲存储区）。,0H,7FFFH,FFFFFH,操作系统,用户程序区,08000H,界限寄存器,中断矢量表,空闲区,单片机中的内存设置,基本思想：把内存分为一些大小相等或不等连续区域分区(partition)，每个分区只

5、能驻留一个程序。操作系统占用其中一个分区。 特点：适用于多道程序系统和分时系统 支持多个程序并发执行 问题：存在碎片（小得难以使用的分区）问题，可能存在内部碎片和外部碎片。 内部碎片：占用分区之内未被利用的空间 外部碎片：占用分区之间难以利用的空闲分区（通常是小空闲分区）。,固定分区存储管理,分区存储管理,固定分区(大小相同),固定分区(多种大小),分区存储管理,优点：简单易于实现，开销小。 缺点： 内部碎片造成浪费 分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。 采用的数据结构：分区表(分区说明表)记录分区的大小和使用情况,Operating System,空闲分区,分区5,作业C,分区4,分区3

6、,分区2,分区1,空闲分区,作业B,作业A,00000H,08000H,0A000H,12000H,1A000H,3A000H,内存分区说明表,分区存储管理,动态分区：在装入作业和处理过程中，按其要求的内存容量以及当时的内存资源使用情况，将一块大小与所要求相近的存储区分配给作业。 优点：没有内部碎片。 缺点：有外部碎片。,动态分区(dynamic partitioning),分区存储管理,分区存储管理,分区存储管理,Process2结束,Process4运行,分区存储管理,Process1结束,Process2再运行,分区的数据结构：分区表，或分区链表 可以只记录空闲分区，也可以同时记录空闲和

7、占用分区 单一分区表中，表项数目随着内存的分配和释放而动态改变，表长难以确定，分配回收分区时降低查找速度。 分区表可以划分为两个表：空闲分区表，使用分区表。从而减小每个表长度。空闲分区表（一般常用链表结构）中按不同分配算法相应对表项排序。 分区分配和释放算法 最先匹配法(first-fit)：可能造成碎片化问题 最佳匹配法(best-fit)：每次要从碎片开始查找，回收算法复杂 最差匹配法(worst-fit)：分配速度快，碎片小,动态分区管理：,分区存储管理,引入：其目标是在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。 基本思想:一个作业的若干程序段，或几个作

8、业的某些部分共享同一存储区。 优点：解决小主存容量与大作业之间的矛盾。 缺点：实现覆盖管理的系统开销较大。,覆盖和交换,覆盖(overlay),注：另一种覆盖方法：(100K) A(20K)占一个分区：20K； B(50K)、D(20K)和E(40K)共用一个分区：50K； F(30K)和C(30K)共用一个分区：30K；,覆盖技术,不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖。(即不同时用的模块可共用一个分区),缺点： 1、确定覆盖关系的复杂度 2、牺牲时间换取空间,引入：解决主存容量不足的矛盾。多个程序并发执行，可以将暂时不能执行的程序送到外存中，从而获得空闲内存空间来装入新程

9、序，或读入保存在外存中而目前到达就绪状态的进程。交换单位为整个进程的地址空间。常用于多道程序系统或小型分时系统中，与分区存储管理配合使用。又称作“对换”或“滚进/滚出(roll-in/roll-out)”。 基本思想:暂停执行内存中的进程，将整个进程的地址空间保存到外存的交换区中（换出swap out），而将外存中由阻塞变为就绪的进程的地址空间读入到内存中，并将该进程送到就绪队列（换入swap in）。,交换,优点：增加并发运行的程序数目，并且给用户提供适当的响应时间；编写程序时不影响程序结构。 缺点： 对换入和换出的控制增加处理机开销；程序整个地址空间都进行传送，没有考虑执行过程中地址访问的

10、统计特性。 考虑的问题： 换出进程的选择：一般换出短时间不会运行的进程 交换时机的选择：内存不够后有危险时换出短时间不会运行的进程 交换空间的分配：可交换到外存的相同或不同对换区 换回内存位置的确定：动态重定位可以换回到不同的内存区，否则只能换回到相同的内存区,交换,交换技术与覆盖技术相比，交换技术的缺点是要花费大量内、外存交换时间，所以外存中应该保留交换程序的副本 覆盖与交换技术都实现了大作业在小内存上运行。 覆盖于与换技术的区别： 覆盖由用户解决空间不足问题（即：覆盖只能在一个程序内部进行） 交换由系统解决空间不足问题（即：交换可以在任意程序间进行） 覆盖对程序结构有严格的限制 交换对程序

11、结构没有限制,覆盖与交换的比较,引入：避开作业的连续性要求，将一个作业存放在不连续的存储空间中，以很好地解决碎片问题。 基本思想:系统把内存物理空间等分为若干大小相等、位置固定的块（或帧）。将程序的逻辑地址空间划分为与块大小相同的页或页面(page or page frame)，程序加载时，分配其所需的所有块，这些块不必连续。需要CPU的硬件支持。,页面式存储管理,地址空间分成大小相同的部分 页,存贮空间分成大小相同的部分 块(页帧),页大小块大小,页表(PMT) ：又称页面映象表，记录一个作业程序的页号所对应的内存块号。 需要CPU的硬件支持。,页号,块号,0,1,2,2,3,8,分配时页对

12、应块，但不要求连续,页表包括：页号，块号,页面式存储管理,页帧19,Operating System,作业2（页0）,00000H,0B000H,0A800H,0B800H,0C000H,0E000H,作业1（页0）,作业2（页2）,作业1（页1）,作业2（页1）,作业3（页0）,物理地址空间,页帧0,页帧20,页帧21,页帧22,页帧23,页帧24,页帧25,页帧26,页帧27,页帧28,0C800H,0D000H,0D800H,0,1,逻辑地址空间,作业1(4K),0,1,作业2(5K),2,0,作业3(1.8K),0,1,页表,0,1,2,0,页帧号,22,20,25,21,24,27,

13、页面式存储管理,页面式存储管理硬件,地址变换：指令所给出地址分为两部分：逻辑页号，页内偏移地址查进程页表，得物理页号物理地址 页面大小：通常是几KB到几十KB（取2的幂）。 小内部碎片小；大页表短，管理开销小，交换时对外存I/O效率高。,页面式存储管理,页式地址变换,页面式存储管理,引入：向用户提供大容量存储器，把内存和外存统一考虑，外存作为存储信息的主要媒介，内存作为处理机需要访问的数据缓冲区。 基本思想:运行一个作业程序时，并不要求把该作业的全部程序和数据都装入内存，可只把目前要执行的几页调入内存的空闲存储块，其余部分仍保存在外存，以后根据作业程序运行情况需要时再调入内存。,请求式页面存储

14、管理,需解决的问题： 提供一种机制，检测访问的页是否在内存，若不在，为之分配一物理页，修改页表项，并将逻辑页调入到物理页。 选择淘汰算法：,当外存上某页信息需调入内存而内存中又无空闲存储块时，则需按某种淘汰算法从内存中选择一页将其内容淘汰。 淘汰算法不合理将产生抖动现象刚被调出的页马上又被要求调入。,存储保护的目的： 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）,1. 存储保护,由于存储保护检查是针对每个存储访问操作进行的，必须由相应的处理器硬件机构支持。,页面的共享与保护,存储保护类型 界限保护：所有访问地址

15、必须在上下界之间；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。 访问方式保护：通过保护键匹配来判断存储访问方式是否合法。对于允许多个进程共享的存储区域，每个进程都有自己的访问权限。如果一个进程对共享区域的访问违反了权限规定，则发生操作越权(即读写保护)。对每个内存区域指定一个键值和若干禁止的访问方式，进程中也指定键值，如果访问时键值不匹配而且是被禁止的访问方式，则出错； 环保护：处理器状态分为多个环(ring)，分别具有不同的存储访问特权级别(privilege)，通常是级别高的在内环，编号小（如0环）级别最高；可访问同环或更低级别环的数据

16、；可调用同环或更高级别环的服务。,页面的共享与保护,共享页面：在物理页面表中有引用计数。只能共享不被修改的页面。这对用户应用是透明的，完全由操作系统控制，目的在于减少系统内的物理页面总数。 当共享页从内存中淘汰或重新装入内存时，共享该页的所有作业进程的页表中的相应页表项必须被同时更新。 写时复制(copy on write)：如果一个进程要改写共享页面，则先把该页面复制一份，让该进程访问复制后的页面，而让其他进程访问复制前的页面。,通过引用计数(reference count)来描述存储区的共享，引用计数表示共享它的进程的数目：,2.存储共享,页面的共享与保护,段式存储管理基本思想：,将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，程序加载时，分配其所需的所有段（内存分区），这些段不必连续；物理内存的