内存管理与虚拟内存管理知识点总结.pdf
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1、1 内存管理与虚拟内存管理知识点总结 内存管理概念 内存管理的基本原理和要求 内存管理的主要功能 内存空间的分配与回收。由操作系统完成主存储器空间的分配与管理。地址转换。把逻辑地址转换成为物理地址。内存空间的扩充。内存共享。存储保护。保证各道作业在各自的存储空间内运行,互不干扰。1.程序的链接与装入 从写程序到程序运行 编译:由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块(编译就是把高级语言翻译为机器语言)链接:由链接程序将编译后形成的一组目标模块,以及所需库函数链接在一起,形成一个完整的装入模块 装入(装载):由装入程序将装入模块装入内存运行 链接的三种方式(将各个目标模块(都是从0 开始)形成
2、一个装入模块,装入模块的地址为逻辑地址,从0 开始形成逻辑地址)1.静态链接 在程序运行之前,先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件(装入模块),之后不再拆开。需要解决两个问题:1,修改相对位置(每个目标模块都是从0开始的相对地址,现在要要统一为一个地址),2,变换外部调用符号,(将每个模块中所用的外部调用符号也都变换为相对地址)。2.装入时动态链接 将各目标模块装入内存时,边装入边链接的链接方式。优点是:便于修改和更新,便于实现对目标模块的共享。3.运行时动态链接 在程序执行中需要该目标模块时,才对它进行链接。优点是:能加快程序装入的过程,还可以节省大量时间。装入的三种方
3、式(将装入逻辑地址与物理地址的相转换)形成物理地址 绝对装入(装入前转换从物理地址)在编译时,如果知道程序将放到内存中的哪个位置,编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址,将程序和数据装入内存。2 静态重定位(边装入,边转换为物理地址,一次性装入)又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从 0 开始的,指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况,将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”,将逻辑地址变换为物理地址(地址变换是在装入时一次完成的,通过修改装配模块中的有关使用地址的指令)。静态重定位的特点是
4、在一个作业装入内存时,必须分配其要求的全部内存空间(必须连续,不适合离散分配),如果没有足够的内存,就不能装入该作业。作业一旦进入内存后,在运行期间就不能再移动,也不能再申请内存空间。动态重定位(运行后需要哪一部分才装入哪一部分,并且转换物理地址)又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后,并不会立即把逻辑地址转换为物理地址,而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行(在作业运行过程中执行到一条访存指令时,在转换地址)。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器 的支持。并且可将程序分配到不连续的存储区 中;在程序运行
5、前只需装入它的部分代码即可投入运行,然后在程序运行期间,根据需要动态申请分配内存;便于程序段的共享,可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。2.逻辑地址与物理地址 逻辑地址:程序经过编译、链接后生成的指令中指明的是逻辑地址(相对地址),即:相对于进程的起始地址而言的地址 物理地址:内存中物理单元的集合,它是地址转换的最终地址。3.进程的内存映像 代码段:程序的二进制代码段 数据段:包括全局变量和静态变量 代码段和数据段在调入内存时就指定了大小。进程控制块(PCB):存放在系统区(常驻内存,即使挂起也在内存)堆:存放动态分配的变量。通过 malloc函数动态的向高地址分配空间。栈:用来实现
6、函数调用。从用户空间的最大地址向低地址方向增长。4.内存保护 方法一:在 CPU 中设置一对上、下限寄存器,存放进程的上、下限地址。进程的指令要访问某个地址时,CPU 检查是否越界。方法二:采用重定位寄存器(又称基地址寄存器)和界地址寄存器(又称限长寄存器)进行越界检查。重定寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界3 地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。(先界址寄存器按逻辑地址检查是否越界,再用基址寄存器得到物理地址)重定位寄存器是用来加的,界地址寄存器是用来比的,先比后加 加载重定位寄存器和界地址寄存器必须使用特权指令,只有操作系统内核才可以加载或修改这两个寄存器。5.内存共享 只有那些可
7、读区域才可以共享。可重入代码又称纯代码,是一种允许多个进程同时访问但不允许被任何进程修改的代码 在实际执行时,也可以为每个进程配以局部数据区,把在执行中可能发生改变的部分复制到该数据区。6.内存分配与回收 由单一连续配发展到固定分区分配(操作系统单道到多道)由固定分区分配发展到动态分区分配(适应不同大小的程序要求)由连续分配方式发展到离散分配方式页式存储管理(提高内存利用率)分段式存储管理(便于用户,便于共享)连续分配管理方式 连续分配:指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。内部碎片:分配给某进程的内存区域中,如果有些部分没有用上,就称为内部碎片。外部碎片:是指内存中的某些空闲分区由于太
8、小而难以利用。单一连续分配 原理:在单一连续分配方式中,内存被分为系统区和用户区。系统区通常位于内存的低地址部分(供操作系统使用),用于存放操作系统相关数据;用户区用于存放用户进程相关数据。内存中只能有一道用户程序,用户程序独占整个用户区空间。优点:实现简单;无外部碎片;可以采用覆盖技术扩充内存;不需要采取内存保护(eg:早期的 PC 操作系统 MS-DOS)。缺点:只能用于单用户、单任务的操作系统中;有内部碎片;存储器利用率极低。4 固定分区分配 原理:是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区,在每个分区中只装入一道作业 划分分区时有两种不同的方法 分区大小相等:程序太小会造成浪费,程序太
9、大无法装入,分区大小不等:划分为多个较小分区,适量的中等分区,少量大分区 操作系统需要建立一个数据结构分区说明表,来实现各个分区的分配与回收。每个表项对应一个分区,通常按分区大小排列。每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态(是否已分配)。优点:实现简单,无外部碎片。(可用于多道程序设计)缺点:a.当用户程序太大时,可能所有的分区都不能满足需求,此时不得不采用覆盖技术来解决,但这又会降低性能;b.会产生内部碎片,内存利用率低。动态分区分配(可变分区分配)原理:这种分配方式不会预先划分内存分区,而是在进程装入内存时,根据进程的大小动态地建立分区,并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的
10、大小和数目是可变的。(eg:假设某计算机内存大小为 64MB,系统区 8MB,用户区共 56 MB)动态分区分配没有内部碎片,但是有外部碎片。如果内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求,但由于进程需要的是一整块连续的内存空间,因此这些“碎片”不能满足进程的需求。可以通过紧凑(拼凑,Compaction)技术来解决外部碎片。(需要动态重定位寄存器的支持)回收空闲分区的四种情况 情况一:回收区的后面有一个相邻的空闲分区,两个相邻的空闲分区合并为一个,并修改后一分区表项的始址和大小 情况二:回收区的前面有一个相邻的空闲分区,两个相邻的空闲分区合并为一个,并修改前一分区表项的大小为两者之和 情况
11、三:回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区,三个相邻的空闲分区合并为一个,修改前一分区表项的大小为三者之和,取消后一分区表项 情况四:回收区的前、后都没有相邻的空闲分区,新增一个表项注:各表项的顺序不一定按照地址递增顺序排列,具体的排列方式需要依据动态分区分配算法来确定。动态分区分配算法 首次适应算法(通常为最好和最快)算法思想:每次都从低地址开始查找,找到第一个能满足大小的空闲分区。5 如何实现:空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表),找到大小能满足要求的第一个空闲分区。最佳适应算法(有外部碎片)算法思想:由于动态分区分配是一种 连续分配方式,为各进程分
12、配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间,可以尽可能多地留下大片的空闲区,即,优先使用更小的空闲区。如何实现:空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表),找到大小能满足要求的第一个空闲分区 缺点:每次都选最小的分区进行分配,会留下越来越多的、很小 的、难以利用的内存块。因此这种方法会产生很多的外部碎片。最坏适应算法(不利于大进程)算法思想:为了解决最佳适应算法的问题即留下太多难以利用的小碎片,可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区,这样分配后剩余的空闲区就不会太小,更方便使用。如何实现:空闲分区按容量递减次序链接。每次
13、分配内存时顺序查找空闲分区链(或空闲分区表),找到大小能满足要求的第一个空闲分区。缺点:每次都选最大的分区进行分配,虽然可以让分配后留下的 空闲区更大,更可用,但是这种方式会导致较大的连续空闲区被迅速用完。如果之后有“大进程”到达,就没有内存分区可用了。邻近适应算法(不利于大进程)算法思想:首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致低地址部分出现很多小的空闲分区,而每次分配查找时,都要经过这些分区,因此也增加了查找的开销。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索,就能解决上述问题。如何实现:空闲分区以 地址递增的顺序排列(可排成一个循环链表)。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始 查找空
14、闲分区链(或空闲分区表),找到大小能满足要求的第一个空闲分区。首次适应算法每次都要从头查找,每次都需要检索低地址的小分区。但是这种规则也决定了当低地址部分有更小的分区可以满足需求时,会更有可能用到低地址部分的小分区,也会更有可能把 高地址部分的大分区保留下来(最佳适应算法的优点)邻近适应算法的规则可能会导致无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用,也就导致了高地址部分的大分区更可能被使用,划分为小分区,最后导致无大分区可用(最大适应算法的缺点)综合来看,四种算法中,首次适应算法的效果反而更好 6 非连续分配管理方式 基本分页存储管理 基本概念 页面和页面大小 进程中的块为页面或页
15、内存中的块为为页框或页帧(内存块,物理块,物理页面)外存中也以同样的单位进行划分,称为块或盘块。页号和页框号从0开始。操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中。也就是说,进程的页面与内存的页框有一一对应的关系。各个页面不必连续存放,可以放到不相邻的各个页框中。页面大小一般为2的整数幂,同时页面的大小应该适中,太大是内部碎片增多,大小页表过长。逻辑地址结构:页号P|页内偏移量W;地址结构决定虚拟内存的寻址空间。页表 1.一个进程对应一张页表 2.进程的每个页面对应一个页表项 3.每个页表项由“页号”和“块号”组成(页表中的页号可以是隐含的,即页号不占用存储空间
16、)注意:页表记录的只是内存块号,而不是内存块的起始地址!J 号内存块的起始地址=J*内存块大小 4.页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的映射关系 5.每个页表项的长度是相同的 页表项中的块号*页面大小+逻辑地址中的偏移量=物理地址 页面大小一般为 2的幂次的好处 7 逻辑地址的拆分更加迅速如果每个页面大小为 2KB,用二进制数表示逻辑地址,则末尾 K 位即为页内偏移量,其余部分就是页号。因此,如果让每个页面的大小为 2 的整数幂,计算机硬件就可以很方便地得出一个逻辑地址对应的页号和页内偏移量,而无需进行除法运算,从而提升了运行速度。物理地址的计算更加迅速根据逻辑地址得到页号,根据页号查询页
17、表从而找到页面存放的内存块号,将二进制表示的内存块号和页内偏移量拼接起来,就可以得到最终的物理地址。页表项大小一般选择为,让一个页面能恰好容下整数个页表项,进而方便存储。基本地址变换机构(逻辑地址到物理地址)页表寄存器(PTR):存放页表在内存中的起始地址 F和页表长度 M。在进程未被执行时,页表始址和页表长度存放在本进程的 PCB中,当进程被调度执行时,才将其装入页表寄存器。变换过程 1,确定逻辑地址 A 对应的“页号”P(页号=逻辑地址/页面长度(取除法的整数部分)2,通过页号和页表查找页面在内存中的起始地址(需要查页表),需要检查是否页号是否大于等于页表寄存器中的页表长度 M。3,确定逻
18、辑地址 A 的“页内偏移量”W(页内偏移量=逻辑地址%页面长度(取除法的余数部分)4,逻辑地址 A 对应的物理地址=P 号页面在内存中的起始地址+页内偏移量 W 具有快表的地址变换机构 快表:又称联想寄存器(TLB,translation lookaside buffer),是一种访问速度比内存快很多的高速缓存(TLB不是内存!),用来存放最近访问的页表项的副本,可以加速地址变换的速度。与此对应,内存中的页表常称为慢表。CPU 给出逻辑地址,由某个硬件算得页号、页内偏移量,将页号与快表中的所有页号进行比较。如果找到匹配的页号,说明要访问的页表项在快表中有副本,则直接从中取出该页对应的内存块号,
19、再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址,最后,访问该物理地址对应的内存单元。因此,若快表命中,则访问某个逻辑地址仅需一次访存即可。如果没有找到匹配的页号,则需要访问内存中的页表,找到对应页表项,得到页面存放的内存块号,再将内存块号与页内偏移量拼接形成物理地址,最后,访问该物理地址对应的内存单元。因此,若快表未命中,则访问某个逻辑地址需要两次访存(注意:在找到页表项后,应同时将其存入快表,以便后面可能的再次访问。但若快表已满,则必须按照一定的算法对旧的页表项进行替换)8 基于局部性原理 时间局部性 如果执行了程序中的某条指令,那么不久后这条指令很有可能再次执行;如果某个数据被访问过,不久之后该
20、数据很可能再次被访问。(因为程序中存在大量的循环)空间局部性 一旦程序访问了某个存储单元,在不久之后,其附近的存储单元也很有可能被访问。(因为很多数据在内存中都是连续存放的)两种变换机构的对比 两级页表 问题一:页表必须连续存放,因此当页表很大时,需要占用很多个连续的页框。问题二:没有必要让整个页表常驻内存,因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面。可以在需要访问页面时才把页面调入内存(虚拟存储技术)。可以在页表项中增加一个标志位,用于表示该页面是否已经调入内存 若想访问的页面不在内存中,则产生缺页中断(内中断/异常),然后将目标页面从外存调入内存 把页表再分页并离散存储,然后再建立
21、一张页表记录页表各个部分的存放位置,称为页目录表,或称外层页表,或称顶层页表 如何实现地址变换 9 注意事项 1.若分为两级页表后,页表依然很长,则可以采用更多级页表,一般来说各级页表的大小不能超过一个页面 2.两级页表的访存次数分析(假设没有快表机构)N级页表访问一个逻辑地址需要 N+1 次访存。基本分段存储管理 分段 进程的地址空间:按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段,每个段都有一个段名(在低级语言中,程序员使用段名来编程),每段从 0开始编址 内存分配规则:以段为单位进行分配,每个段在内存中占据连续空间,但各段之间可以不相邻。段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段 段内地址位数决定了
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- 内存 管理 虚拟内存 知识点 总结
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