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1、内存管理,四川大学计算机学院 左劼,提纲,背景 交换 连续内存分配 页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,背景,程序必须被装载到内存中，并建立一个相关进程才能执行 在磁盘上等待调入内存以便执行的进程形成了输入队列 用户程序在正式开始执行之前还进行了若干的动作,用户程序的处理步骤,地址绑定 三种方法,编译期：编译阶段有编译期决定程序的内存地址。程序需要驻留在内存中的绝对位置，并且编译器要知道这个位置 装载期：在程序被装入到内存的时候，有装载器决定程序的内存地址。程序是由可重定位代码构成 执行期：在程序的执行过程中动态决定内存地址。一般需要硬件的支持。,逻辑地址和物理地址,程序中使用的地址是
2、逻辑地址，而每一个存储单元的地址则是物理地址 程序所生成的所有逻辑地址的集合称为逻辑地址空间 所有的物理地址的集合称为物理地址空间 程序在执行过程中，如果访问内存，需要将使用的逻辑地址变换成物理地址,内存管理单元 (MMU),内存管理单元是一个硬件设备，实现将逻辑地址映射成物理地址 程序产生的所有逻辑地址都会在MMU中被加上重定位寄存器的值，变成物理地址，这个过程发生在地址被发送到内存之前 用户程序只能看到逻辑地址，而不能看见物理地址,动态加载,程序的某些子程序和数据可以驻留在磁盘上，直到被调用的时候才被加载到内存中 这能让内存的使用效率更高，常用于大程序、小内存的场合 这种技术并不需要操作系
3、统的特别的支持，可以通过程序设计手段来实现,动态链接,链接延迟到执行期间 有一段小的程序(stub)来定位子程序 stub用被调用的子程序来替换掉自己，并调用其进行执行 操作系统需要确认被调用的子程序是否在进程的内存空间内,覆盖,在内存中只保留当前必要的代码和数据，当需要其它的代码和数据的时候，再把它们装载进内存，覆盖掉原有的部分内容 这种技术是在用户态实现的，不需要操作系统的执行，但需要较为复杂的程序设计技术。,覆盖的例子,动态重定位,提纲,背景 交换 连续内存分配 页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,交换 (swap),一个进程可以被临时交换出内存，存放到后备存储器，并在必要的时候
4、重新调入内存，继续运行 后备存储器是一个高速的磁盘，并且具有足够的容量，以便容纳下所有用户的所有内存映像的拷贝；它还必须提供直接映像访问方式 在某些基于优先级的调度算法中，操作系统将低优先级的进程交换出内存，以便高优先级的进程的运行，而运行完毕之后，再将低优先级的进程装入内存运行，这称为滚出、滚入(roll out, roll in) 几乎所有的现代操作系统都可以看到交换技术,交换(续),交换时间的主要部分是转移时间，即将内存写到后备存储系统，何从后备存储系统读入到内存的时间 如果系统频繁发生交换，系统的运行效率将大大降低 现代操作系统使用的交换多是经过改进的算法,交换的示意图,提纲,背景 交
5、换 连续内存分配 页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,硬件支持,连续内存分配方法,主存储器分成两个部分： 常驻的操作系统，通常在低地址端(可能还包含中断向量表) 用户程序存储在高端的内存区域 每个进程使用一个连续的内存区域： 重定位寄存器模式将保护进程之间、操作系统代码不会被非法访问和修改 重定位寄存器包含最低物理地址，界限寄存器存储物理地址的范围,连续内存分配 (续),多分区分配： 孔(Hole)：整块可供使用的内存 为每一个进程分配一块足够大的孔 操作系统管理以下信息 a) 已经分配的分区 b) 空闲分区 (即孔),动态存储分配问题,在给定的孔序列中，怎样满足大小为n的请求？ 首次
6、适应：分配第一个足够大小的孔 最佳适应：分配最小的满足要求的孔 最坏适应：分配最大的孔,碎片问题,外部碎片(external fragmentation)：空闲内存之和可以满足请求，但它们不是连续的 内部碎片(Internal fragmentation)：分配的内存比请求的内存稍微大一点，这些碎片在分区内部，但不能被使用 可以通过紧缩(compaction)来减少外部碎片 移动内存内容，以便所有空闲空间合并成一整块 只有系统支持执行期的动态重定位，紧缩才可能发挥作用 I/O 问题 当进程进行I/O的时候，将进程的内存钉住 或者让I/O只能使用操作系统的缓冲区,提纲,背景 交换 连续内存分配
7、页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,页式内存分配,允许进程的物理地址空间是非连续的，进程只在必要的时候才分配真实的物理内存 将物理内存分割成固定大小的块，称为帧(一般是2的整数次幂，5128K之间) 将逻辑内存也分割成同样大小的块，称为页,页式内存分配(续),跟踪所有的空闲帧 为了运行n页大小的程序，需要找到n个空闲的帧，并分配给该进程 其中使用了页表来翻译逻辑地址到物理地址 页式内存分配可能出现内部碎片,地址转换,CPU产生的地址分为以下两个部分： 页号(p)：作为页表的索引，页表作中存储了每页的物理基地址 页内偏移量(d)：和基地址一起表示物理内存的地址,地址转换机构,页式内存分配
8、例子,页表的实现,页表应该驻留在内存中 页表基地址寄存器(PTBR)指向页表 页表长度寄存器指示了页表的长度 每次数据/指令的访问都需要两次内存访问，一次访问页表，一次访问真正的数据 两次内存访问问题可以通过使用一种特殊的支持快速查找的硬件缓存，称为关联寄存器，或翻译后备缓冲器(TLB)来解决,分页的硬件支持,有效内存访问时间,关联查找时间： 毫秒 假设内存访问周期是 1 毫秒 命中率()：关联寄存器中找到页号的概率 有效内存访问时间(EAT) = ( + 1) + ( + 1 + 1)(1 ) = 2 + ,内存保护,内存保护功能通过页表中每一个条目上的有效-无效位实现 如果有效-无效位位有
9、效，表示相关的页在进程的逻辑地址空间内，否则相关页是无效的,两层页表结构,反向页表,对每一个实际存在的页有一项记录 记录中包含页的虚地址，以及使用该页的进程 这种方法减少了内存使用量，但增加了访问的时间，降低了性能 可以使用哈希表来降低搜索的次数,反向页表,共享页面,共享代码 整个系统中只有一份只读代码的拷贝 唯一的拷贝被通过页表映射到每个进程的逻辑地址控件中 共享代码必须出现在所有进程的逻辑地址空间的相同位置,共享页面例子,提纲,背景 交换 连续内存分配 页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,段式内存分配,一种支持用户观点的内存管理模式 一个程序是若干段的集合，段是一个逻辑单元 每个段
10、的大小不要求一样大,分段的逻辑视图,1,3,2,4,user space,physical memory space,分段的体系结构,逻辑地址包含两个部分 , 段表：映射逻辑地址到屋里地址，每一条记录包含 基地址：包含了段在内存中的起始物理地址 界限：指出了段的长度 段表基地址寄存器(STBR)指向了段表的起始地址 段表长度寄存器(STLR)指出了段表的长度 对一个段号 s，如果 s STLR,分段的硬件支持,分段的体系结构 (续),段的重定位 可以实现动态的重定位 通过段表来实现 段的共享 也可以象共享页一样共享段 它们一般说需要相同的段号,分段的体系结构 (续),保护： 可以通过标志位指示段的有效性 还可以指定段的读、写、执行等权限 段的分配：因为段是变长的，所以分配问题是动态分配问题 首次适应/最佳适应 外部碎片问题,提纲,背景 交换 连续内存分配 页式内存管理 段式内存管理 段页式内存管理,段页式内存管理,段页式内存管理综合了段式和页式两者的优点 首先是分段的，通过段表来管理 每个段又是分页的，通过页表来管理,Intel 80386 中的段页式内存分配,作业,9.8, 9.10, 9.13, 9.16,