存储器管理（装入、链接、覆盖、交换以及连续分配管理方式）——操作系统笔记

一、内存的基础知识

1、什么是内存？有何作用？

  内存可存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾。内存的存储单元编地址：

  一台手机有 4GB 内存，是什么意思？是指该内存中可以存放 $ 42 ^ {30}$ 个字节。如果是按字节编址的话，也就是有 $ 42^{30} =2^{32}$ 个“小房间”，所以地址需要用 32 个二进制位来表示（0~$ 2^{32}-1$）。

补充：

• $ 2^{10}$=1K（千）
• $ 2^{20}$=1M（兆，百万）
• $ 2^{30}$=1G（十亿，千兆）

2、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。

3、程序链接的三种方式

• 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，完整的逻辑地址），之后不再拆开。
• 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。
• 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。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

4、程序装入的三种方式

（1）绝对装入

  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。

  绝对装入只适用于单道程序环境。 程序中使用的绝对地址，可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。通常情况下都是编译或汇编时再转换为绝对地址。

（2）可重定位装入（静态重定位）

  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）。

  静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，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。

（3）动态运行时装入（动态重定位）

  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。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（重定位寄存器：存放装入模块存放的起始位置）。

  采用动态重定位时，允许程序在内存中发生移动，并且可将程序分配到不连续的存储区中；在程序运行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。

5、内存管理的概念

  操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存 进行管理，要管些什么呢？

• 操作系统负责内存空间的分配与回收；
  • 连续分配管理方式；
  • 非连续分配管理方式；
• 操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充；
• 操作系统需要提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换（三种装入方式）；
• 操作系统需要提供内存保护功能，保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰。

内存保护

  保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰。

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。重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。

6、总结

二、覆盖与交换

1、覆盖技术

  早期的计算机内存很小，因此经常会出现内存大小不够的情况。后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题。

覆盖技术的思想：

  将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）。不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存。

  覆盖技术必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担。 覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。

2、交换（对换）技术

  交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）。暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend），挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。

（1）三个问题

① 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？

  具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式；对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式。总之，对换区的 I/O 速度比文件区的更快。

② 什么时候应该交换？

  交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。

③ 应该换出哪些进程？

  可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间…

注意：PCB会常驻内存，不会被换出外存。

3、总结

三、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。

1、单一连续分配

  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，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；不一定需要采取内存保护（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（分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，就是“内部碎片”）；存储器利用率极低。

2、固定分区分配

  为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于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，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

• 分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合（比如：钢铁厂有n个相 同的炼钢炉，就可把内存分为 n 个大小相等的区域存放 n 个炼钢炉控制程序）。
• 分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分 （比如：划分多个小分区、适量中等分区、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。
• 缺点：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；会产生内部碎片，内存利用率低。

3、动态分区分配

  动态分区分配又称为可变分区分配。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。因此系统分区的大小和数目是可变的。

  动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片。

• 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。
• 外部碎片：指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。

  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，即对进程的内存空间进行移动）技术来解决外部碎片。

（1）两个问题

① 系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？

• 空闲分区表：每个空闲分区对应一个表项。表项中包含分区号、分区大小、分区起始地址等信息。
• 空闲分区链：每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。起始部分处还可记录分区大小等信息。

② 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

  把一个新作业装入内存时，须按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表（或空闲分区链）中选出一个分区分配给该作业。

4、总结

四、动态分区分配算法

  动态分区分配算法：在动态分区分配方式中， 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？

1、首次适应算法（First Fit）

  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。

  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。

2、最佳适应算法（Best Fit）

  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。

3、最坏适应算法（Worst Fit，最大适应算法）

  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。

4、邻近适应算法（Next Fit）

  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。

5、总结

  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。