操作系统

第三章 内存管理

author:slightwjq
2022年12月31日

3.1 内存管理概念

内存管理就是对内存的划分与动态分配。
主要功能有：内存空间的分配与回收、地址转换、内存空间的扩充、内存共享、存储保护。

程序的链接与装入

将用户源程序变为可执行程序步骤：编译、连接、装入。

连续分配管理方式

连续分配方式是指为用户程序分配一个连续的内存空间。

• 单一连续分配：内存分为系统区和用户区，用户区中仅有一道用户程序，不支持并发。
• 固定分区分配：将用户空间划分为若干固定大小的区域，每个分区装入一道作业。为了便于内存的分配，通常将分区按大小排队，并为之建立一张分区说明表，其中各表项包括每个分区的始址，大小及状态。
• 动态分区分配：按照实际的需要为进程动态地分配内存。随着时间推移会产生越来越多小的内存碎片，称为内部碎片。装入时考虑以下几种算法：
  • 首次适应算法：空闲分区按地址递增链接，找到大小能满足的第一个空闲分区分配给作业。
  • 临近适应算法：分配内存从上次查找结束的位置开始继续查找。
  • 最佳适应算法：空闲分区按容量递增次序链接，找到第一个能满足要求且最小的分区分配给作业。
  • 最坏适应算法：空闲分区以容量递减次序链接，找到第一个能满足要求的最大的分区，从中分割一部分给作业。

基本分页

进程中的块称为页，内存中的块称为页框。外存也以同样的单位进行划分，称为盘块。
地址结构分为页号和页内偏移两部分。
页表：为了便于在内存中找到进程的每个页面对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，它记录在内存中对应的物理块号，页表一般存放在内存中。

基本分段

段式管理按照用户进程自然段划分逻辑空间。每个进程都有一张内存空间与逻辑空间映射的段表，每个段表项对应一段，段表项记录段在内存中的始址和长度。
段号和段内偏移要显式给出，分段的地址空间是二维的。

段页式管理

见计算机组成原理部分对应内容。

3.2 虚拟内存管理

虚拟内存的基本概念

3.1节的内存管理策略都有一次性（作业必须一次装入内存后才可以运行），驻留性（作业被装入内存后就一直驻留在内存中）。
基于局部性原理，在程序装入时，仅须将程序当前要运行的少数页面或段先装入内存，而将部分暂留在外存，便可启动程序执行。另一方面操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，从而腾出空间存放将要调入的内存信息。
虚拟存储器有以下三个主要特征：多次性（指无需在作业运行是一次装入内存）、对换性（无需在作业运行时一直常驻内存）、虚拟性（逻辑上扩充内存的容量）。

请求分页管理方式

请求分页系统中，只要求将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行。作业执行过程中，访问的页面不在内存中时，再通过调页功能将其调入，同时还可以通过置换将暂时不用的页面换出到外存上，腾出内存空间。

每当所要访问的页面不在内存中时，便产生一个缺页中断，请求调入内存。缺页中断在指令执行期间产生，属于内部异常。

页框分配

给一个进程分配的物理页框的集合就是这个进程的驻留集。

• 分配给一个进程的页框越少，驻留在内存中的进程越多，从而提升CPU利用率。
• 若一个进程在主存中的页面过少，缺页率扔相对较高。
• 若分配过多，由于局部性原理，对该进程缺页率没太明显的影响。

内存分配有固定分配局部置换、可变分配全局置换、可变分配局部置换。

页面置换算法

• 最佳置换算法OPT：淘汰最长时间内不再被访问的页面，无法实现。
• 先入先出置换算法FIFO：优先淘汰最早进入内存的页面，与实际运行时的规律不符。可能出现Belady异常。
• 最近最久未使用算法LRU：选择最长时间未访问过的页面淘汰。是堆栈类算法。
• 时钟置换算法CLOCK
• 改进型时钟置换算法：设置访问为和修改位，最佳淘汰页是访问位和修改位均为0的，其次是访问位是0修改位是1的，然后是访问位为1修改位为0的，最后是访问位修改位均为1的。

抖动：刚刚换出的页面马上又要换入主存，刚刚换入主存的马上又要换出主存。根本原因是系统中同时运行的进程太多。

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