华中科技大学电信系操作系统课件-chapter8

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1、第八章 实存储器管理技术存储器是计算机系统的重要组成部分， 如何对它们实施有效管理，不仅直接影 响到存储器的利用率，而且还对系统性 能有重大影响，对存储器的管理和有效 使用仍然是当今OS十分重要的内容。 8.1 主存储器的物理组织、多级存储器 n存储器：能接收和保存数据、而且能根据 命令提供数据的装置。 n当今许多计算机把存储器分为三级：n高速缓冲存储器（缓存）、主存储器（主存） 和外部存储器（外存）。n三级存储器的比较n速度：缓存主存外存n价格：缓存主存外存n大小：缓存主存外存n内存储器（简称内存 、主存、物理存储器 ）n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

2、是存取速 度快，存储方式是以 新换旧，断电信息丢 失。n外存储器（简称外存 、辅助存储器）n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 。在文件系统中介绍 。3、为何要采用高速缓存？n引入缓存主要是解决主存与CPU速度不匹配问 题。 缓存最初应用于大型计算机系统中，但随着 CPU速度越来越高，动态存储器（即内存、主 存）的速度难以满足CPU对速度的要求，一般 情况下，CPU访问主存需要插入等待周期，因 而不能充分利用CPU的性能，缓存是面向CPU 的存储器，用于存放CPU访问比较频繁的数据 和代码，采用缓存可明显改善系

3、统的性能。 4、内存的物理组织n物理地址：把内存分成若干个大小相等 的存储单元，每个单元给一 个编号，这个编号称为内存 地址（物理地址、绝对地址 、实地址），存储单元占8位 ，称作字节（byte）。n物理地址空间：物理地址的集合称为物理地 址空间（主存地址空间）， 它是一个一维的线性空间。5、程序的逻辑结构n程序地址：用户编程序时所用的地址（或称逻 辑地址 、虚地址 ），基本单位可与内存的基本 单位相同，也可以不相同。n程序地址空间（逻辑地址空间、虚地址空间）: 用户的程序地址的集合称为逻辑地址空间，它 的编址总是从0开始的，可以是一维线性空间 ，也可以是多维空间。n为什么程序使用逻辑地址而不

4、是物理地 址？用户需要精确计算空间与存放地址；支持多道程序运行十分困难；程序的可移植性差。5、主存管理的主要功能n主存分配和回收：n主要任务：将主存分配给多个程序，以提高主 存利用率。n选择合适的分配和回收算法及相应的数据结构 ，以提高主存利用率和分配、回收的速度。n地址转换和重定位：n主要任务：屏蔽物理内存使用细节，解决用户 程序装入（可以部分装入）。n可执行文件生成中的链接技术n程序加载(装入)时的重定位技术n进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构5、主存管理的主要功能n存储保护和主存共享：n解决如何在多用户和多任务环境下，实现程序 代码和数据共享和保护。n代码和数据共享n地址空间访问权

5、限（读、写、执行）n存储器扩充：n解决用户对内存容量要求与内存实际容量之间 的矛盾，使运行的程序不受主存大小的限制。n由应用程序控制：覆盖；n由OS控制：交换（整个进程空间），虚拟存储 的请求调入和预调入（部分进程空间）8.2 固定分区 1、基本概念 ： 把主存分成若干个固定大小的存储区， 每个分区给一个作业使用，直到该作业 完成后才将该区归还系统。 n固定指各分区的位置和大小固定。通常在系 统启动后就确定了。n分区可分为用户分区和系统分区，用户分区 存放用户程序，系统分区存放系统程序和管 理信息。 8.2 固定分区2、固定分区分单道作业和多道作业 n单道作业下：固定分区中只划分了一个用户 分

6、区，用于用户程序，其他为系统分区。 n多道作业下：固定分区中只划分了若干个用 户分区和若干个系统分区，因此，主存中可 以同时存放多个用户程序。 8.2 固定分区3、用户分区的划分可用两种方式 n分区大小相等：指所有的用户分区大小都相等。 n缺点： n程序小于分区大小，可能出现内部碎片，造成主存 浪费 n程序大于分区，程序无法在一个分区内装入，导致 程序无法运行。 n分区大小不等：指所有用户分区的大小并不都相等 n克服分区大小相等的缺点，一般划分出多个较小的分 区、适量中等分区和少量大分区。小程序分配小分区 。 固定分区(大小相同)固定分区(多种大小)8.2 固定分区4、存储分块表（MBT）n当

7、分区大小不等时，系统需要对每个分区的信 息进行记录，以便管理。n用来存储分区管理信息的数据基。nMBT中一般记录三项信息 n大小：存储块的大小，以字节为单位 n位置：存储块在主存中的起始地址 n状态：存储块是否使用标记 8.2 固定分区大小位置状态8K300K正使用8K308K未使用16K316K正使用16K332K正使用32K348K未使用128K380K正使用n MBT一般放在系统分区内，通常由存储分配和释 放两个模块对它进行操作。 n MBT在系统分区占用一个连续的内存空间8.2 固定分区n优点n管理简单；n硬件支持要求少，一对界地址寄存器；n缺点n主存利用率不高，存在内部碎片。n分区总

8、数固定，限制了并发执行的程序数目。 n采用静态重定位。n可以采用一对界地址寄存器实现储存器保护 。8.3 可变分区多道管理技术 n起因：固定分区主存利用率不高，使用 不灵活。n定义：指事先并未将主存划分为一块块 分区，而是在作业进入主存时，按作业 的大小动态地建立分区，分给作业使用 。 工作过程例子：计算机系统有2560KB主存，按照 可变分区方式，系统首先为OS分配一个 系统分区，剩余的作为一个整的分区作 为用户分区。OS需要400KB，则用户区 为2160KB。系统启动后，其主存分配图 （a），此时有5个作业依次进入内存， 其内存要求和进入时间如表： 进程主存时间P1600KB10P210

9、00KB5P3300KB20P4700KB8P5500KB15n由于作业的大小以及进入主存的时间不同。形 成以下特点：n分区个数可变，分区大小不固定。n主存中分布着个数和大小都是变化的自由分区。 n必须解决的问题 n记录分区信息的数据结构 n分配算法 n分配和回收操作 n数据基 由于可变分区的特点，系统需要建立一个记录分区信息 的数据基，可变分区的数据基有以下几种组织方法： n存储分块表（MBT）： 与固定分区的MBT结构一样。但用于可变分区存在以下缺 点：n表长难确定，由于分区个数变化，因此MBT表项也需变化；n查找速度慢，由于空闲分区在表中一般没有按大小排序，查找 一个可供分配的分区需要察

10、看更多的表项。 n两个存储管理表： 为了提高查找速度，将主存分区用两个表来管 理： n已分分区表（UBT）：存放已在分配使用的分区 信息。n空闲分区表（FBT）：存放空闲、尚未分配使 用的分区信息。 这样，分配内存只需查找FBT。 注意：表中的空表目是由于存储块在分配和回收 过程中，没有对表项进行删除维护造成的。 大小位置状态 8k312k已分 32k320k已分 -空表目 120k384k - 大小位置状态 32k352k空闲 -已分 520k504k空闲 -空表目 -空表目 UBTFBTn空闲存储块链（FBC）： n原因：以上两种方式采用表格方式，表长难以确定 的问题仍未解决。 n定义：采

11、用链指针方式将空闲分区块链结在一起。 n实现方法：系统中单独在主存中申请一个空间，存 放链表头指针，空闲存储块按大小组成链表，链表 指针放在空闲存储块的起始位置，最后空闲存储块 的链表指针存放链尾标志。 n已分存储块的管理：由于存储块分配给作业或进程 后，存储块信息（大小和起始位置）在JCB或PCB中 有记录，无需链表来管理。 存储分配算法 可变分区的主存分配算法一般有以下三种：n最佳适应法： n定义：按分区的在内存的次序从头查找，找到其大小与 要求相差最小的满足要求的空闲分区进行分配。 n思想：避免“大材小用”，使分区内未用部分最少。 n为了便于查找，一般对空闲存储块由小到大顺序排列， 这样

12、，第一次找到的满足要求的空闲块就是最佳的空闲 块。n缺点：孤立地看，该方法似乎是最佳的，然而，从宏观 和长远看，由于每次剩余的部分重是最小的，这样，在 主存中会留下许多难以利用的小空闲区（外部碎片）。 n优点：较大的空闲分区可以被保留。 最先适应法n定义：按分区在内存的先后次序从头查找，找到符合要 求的第一个分区进行分配。n分析：由于分区序号通常由低向高排列，因此，该算法 倾向于优先利用主存的低地址部分的空闲分区，高地址 的空闲分区很少被利用，可以保留高端大空闲区。 n一般要求对空闲分区按地址递增的次序排列。 n优点：该算法的分配和回收的时间性能较好，可以保留 高端大空闲区。 n缺点：随着低端

13、分区不断划分，低端会出现很多较小的 空闲分区，由于分配查找从低端开始，因此查找时间开 销会增大。 最坏适应法 n定义：按分区在内存的先后次序从头查 找，找到最大的满足要求的空闲分区进 行分配。 n一般要求对空闲存储块按其大小以递增 顺序排列。 n优点：减少了最佳适应法中出现过多外 部碎片的缺点。 n缺点：不利于大作业的分配。 n以上分配方法各有其有优 缺点，不同情况下，不同 的结果 。 例：某一时刻，内存分布如 右图，有进程P1(190K)， P2（300K），P3(20K)。 问：下列情况下，采用哪种方式 可使所有进程装入内存？ (a)：进入内存次序为P1,P2,P3。 (b):进入内存次序

14、为P3,P2,P1。200K350K(a)：进入内存次序为P1,P2,P3时，最佳、 最先可以；最坏不可以。 (b)：进入内存次序为P3,P2,P1时，最坏可 以；最佳、最先不可以。存储器的紧缩和程序的浮动 n原因：固定分区和可变分区都是一种连 续分配方式。 n连续分配方式：指为用户程序分配的是一个 地址连续的内存空间。 n在可变分区中，会出现大量小的空闲分区， 即使这些分区的总容量大于一个用户程序的 要求，由于地址离散，而不能为程序所用， 形成外部碎片，造成内存的浪费。 存储器的紧缩和程序的浮动n解决方法： n改变连续分配方式：把程序分成若干部分，装入不 同的分区中，可以解决碎片问题，但同时

15、也带来了 程序管理和执行上的复杂性。 n紧缩和浮动：通过移动程序，将碎片集中起来形成 一个大分区。 n存储器紧缩 :指在主存中把离散的碎片集中起 来形成一个完整的大分区的方法。 n程序浮动：指在主存中将用户程序移动。 n紧缩和浮动带来的问题： n经过紧缩后，用户程序在内存中的位置 发生了变化，若要程序能正确运行，必 须对程序代码和数据的地址进行变换， 即进行重定位。 n重定位有两种：静态和动态重定位。 n静态重定位不行，最好的方法是采用动 态重定位。 动态重定位的可变分区多道管理 n动态重定位： 指在程序执行过程中，每当访问指令或数据时，将 要访问的程序或数据的逻辑地址转换为物理地址。 由于重

16、定位过程是在程序执行期间随着指令的执行 逐步完成的，故称为动态重定位。 n说明： 采用动态重定位技术，由于地址转换在程序执行期 间，随着对每条指令和数据的访问而自动进行，因 此，当系统进行紧缩和程序浮动时，不需要对程序 做任何修改，只需将程序在主存的起始地址进行更 新即可。 动态重定位的具体过程n硬件支持 n重定位寄存器 n加法器 n界地址寄存器 n动态重定位可变分区分配算法 n动态重定位可变分区分配算法与无重定位的分区 算法基本上相同，采用的数据基也一样。 n区别在于：动态重定位可变分区算法中，增加了 “紧缩算法”。 紧缩算法的实施时机 n通常有两种 :n在某分区被释放后立即进行紧缩。 n优点：系统主存非常整洁，只有一个连续的空闲分区 ，没有任何碎片，有利于空闲分块表的管理和主存分 配 。n缺点：紧缩工作需要耗费系统资源，会降低CPU利用 率和系统吞吐量。 n当“请求分配模块”找不到足够大的空闲分区时， 再进行紧缩 n优点：减少紧缩次数，提高CPU利用率和系统吞吐量 。 n缺点：增加了空闲分块表管理的复杂性。