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1、1,第四章 存储器管理,存储器管理是指存储器资源（主要指内存)的管理。 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。,2,4.1 地址重定位 4.2 分区存储管理 4.3 覆盖和交换 4.4 页面式存储管理 4.5 请求式页面存储管理 4.6 段式存储管理 4.7 段页式存储管理,3,4.1 地址重定位,主存储器分为两部分：系统区，用户区 存储管理主要管理用户区的存储空间,地址空间和存储空间,名空间：程序中由符号名组成的空间。 逻辑地址（相对地址）：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
2、形式。相对于0编址。 逻辑地址空间（地址空间）：相对地址的集合。 物理地址（绝对地址）：主存储器中一系列物理单元的编号。物理地址可直接寻址。 物理地址空间（存储空间）：物理地址的集合。,4,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,5,逻辑地址、物理地址和地址映射,地址映
3、射,1100,Load A,1200,3456,。,。,。,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,逻辑地址空间,BA=1000,6,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 动态重定位,地址重定位,7,优点：容易实现，无需硬件支持。 缺点：
4、程序在主存中只能连续分配；程序装入内存后不能移动；对共享的同一程序，各用户必须使用自己的副本，浪费存储空间。,在程序执行之前进行地址重定位，即可执行文件中装入主存时，由操作系统中的加载程序来完成地址映射。 重定位项：程序中涉及直接寻址的每条指令都要进行修改，需要修改的位置称为重定位项。 重定位项表：用相对地址给出需修改的位置。列出各个需要重定位的地址单元和相对地址值。,静态重定位,8,地址映射,1100,Load A,1200,3456,。,。,。,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,逻辑
5、地址空间,BA=1000,静态重定位,9,可执行文件在内存中的重定位,说明：重定位表中列出所有修改的位置。如：重定位表的150表示相对地址150处的内容为相对地址(即100为从0起头的相对位置)。在装入时，要依据重定位后的起始位置(2000)修改相对地址。 重定位修改：重定位表中的150-绝对地址2150(=2000+150) 内容修改：内容100变成2100(=100+2000)。,jmp,150,100,150,.,Relocation,Table,0,jmp,150,2100,2150,.,2000,10,优点： OS可以将一个程序分散存放于不连续的内存空间；可以移动程序。 有利用实现共
6、享。 缺点：需要硬件支持（通常是CPU），是虚拟存储的基础。,在程序运行期间进行重定位，装入和执行时通过硬件地址变换机构，完成虚拟地址到实际内存地址的变换,动态重定位,11,动态重定位,0,100,200,300,.,.,.,.,.,.,.,.,.,LOAD A,200,3456,逻辑地址空间,1100,1200,1300,物理地址空间,200,VR,+,1000,BR（基址寄存器）,LOAD A,200,3456,12,缺点：不能充分使用存储空间。,4.2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。,
7、13,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）。,4.2分区存储管理,单一连续区存储管理,适用于单道程序系统,14,单一连续区存储管理,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,15,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
8、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）。,分区存储管理,16,分区大小相等：只适合于多个相同程序的并发执行（处理多个类型相同的对象）。 分区大小不等：多个小分区、适量的中等分区、少量的大分区。根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区。,把内存划分为若干个固定大小的连续分区。一旦划分好，在系统运行期间不再重新划分。,固定分区(fixed partitioning),17,固定分区(大小相同),固定分区(多种大小),18,优点：简单易于实现，开销小。 缺点： 内部碎片造成浪费 分区
9、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,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,19,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),20,21,22,23,分区的数据结构：分区表，或分区链
10、表 可以只记录空闲分区，也可以同时记录空闲和占用分区 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,动态分区管理：,24,分区分配算法：寻找某个空闲分区，其大小需大于或等于程序的要求。 分区释放算法：需要将相邻的空闲分区合并成一个空闲分区。(这时要解决的问题是：合并条件的判断和合并时机的选择),分区分配算法和释放算法：,25,最先匹配法(first-fit)：按分区的先后次序，从头查找，找到符
11、合要求的第一个分区 该算法的分配和释放的时间性能较好，较大的空闲分区可以被保留在内存高端。 但随着低端分区不断划分而产生较多小分区，每次分配时查找时间开销会增大。 最佳匹配法(best-fit)：找到其大小与要求相差最小的空闲分区 从个别来看，外部碎片较小，但从整体来看，会形成较多外部碎片。较大的空闲分区可以被保留。 最差匹配法(worst-fit)：找到最大的空闲分区 基本不留下小空闲分区，但较大的空闲分区不被保留。,分区分配算法,26,基本思想：分配算法与可变分区分配基本算法基本相同，并对作业进程分区进行搬迁，以形成大的连续的空闲分区。 特点：解决外部碎片问题的简单有效的方法 对占用分区进
12、行内存数据搬移占用CPU时间 如果对占用分区中的程序进行“浮动”，则其重定位需要硬件支持（提供基址界限寄存器对）。 实现空闲分区拼接的时机：每个分区释放后，或内存分配找不到满足条件的空闲分区时,动态重定位式分区分配,27,基本思想：一个作业由一些相对独立的程序段和数据段组成，每个段占用一个连续分区，而相应的各分区之间不要求是连续的。 特点：有效地解决外部碎片问题 要求： 相应的语言编译器能在作业的每个段内生成有效地址（各段相对于0编址） 系统内设置多对基址界限寄存器。 优点： 可以实现分区共享 诸进程可以共享数据分区。,多重分区存储管理不拼接而解决碎片问题,28,引入：其目标是在较小的可用内存
13、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。,4.3 覆盖和交换,覆盖(overlay),29,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),30,缺点： 编程时必须划分程序模块和确定程序模块之
14、间的覆盖关系，增加编程复杂度。 从外存装入覆盖文件，以时间延长来换取空间节省。,31,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 i
15、n）。,交换(swapping),32,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统计特性。 考虑的问题： 程序换入时的重定位； 减少交换中传送的信息量，特别是对大程序； 对外存交换区空间的管理：如动态分区方法；,33,覆盖与交换的区别：,覆盖由用户解决空间不足,交换由系统解决空间不足,34,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。,4.4 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,35,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,分配时页对应块，但不要求连续,页表包括：页号，块号,36,页帧19,Operating System,作业2（页0）,00000H,0B000H,0A800H,0B800H,0C000H,
