chap8-存储管理

1、8.6.2 存储管理存储管理 存储管理研究的问题存储管理研究的问题：如何更好地管理和合理地使用计算机的存储器。存储器资源是计算机系统中最为重要的资源，也是系统进程和用户进程争夺最激烈的资源。存储管理的好坏，往往直接影响到整个计算机系统的效率。 存储管理的管理对象存储管理的管理对象：内存储器以及作为内存的扩展和延伸的外存储器(辅存)。内存储器用来临时存放系统运行时所需的信息，它具有存取速度快和随机存取的特点，但容量一般较小，价格也较昂贵。磁带、磁盘、光盘等称为外存储器(简称外存)，外存储器用来存放永久信息，它具有容量大和非随机存取的特点，但存取速度较慢。 存储管理的目标存储管理的目标：为程序设计

2、人员提供方便、安全和充分大的存储空间。 方便，指的是将逻辑地址和物理地址分开，程序设计人员在各自的逻辑空间内编程，不必过问实际存储空间分配的细节，对程序设计人员来说，物理存储空间的分配是“透明”的。 安全，指的是同时驻留在内存的各个进程相互之间不会发生干扰。 充分大，指的是用户程序需要多大的内存空间，系统就能提供多大的空间，这是通过虚存管理实现的。 存储管理要解决的问题存储管理要解决的问题： 一是存储空间的分配和回收； 二是地址映射，就是把程序使用的地址映射成内存空间地址； 三是内存的保护，就是系统要保证内存中的进程不会相互干扰，影响整个系统的稳定性、可靠性。1、重要术语、重要术语 逻辑空间和

3、物理空间逻辑空间和物理空间 逻辑空间是程序设计人员的编程空间，若程序设计人员使用机器指令编程序，则编程空间是由程序设计人员自己确定的；若程序设计人员使用高级语言编程序，则编程空间是由编译程序产生的。目标程序的地址空间不是内存真正的地址，而是逻辑地址。一个用户作业目标程序的逻辑地址的总体称为该作业的地址空间。 物理空间是指内存空间，是由物理存储单元组成的，是内存储器中真实地址(叫物理地址)的总体，是由存储器地址总线扫描出来的空间。它的大小取决于实际的内存容量。 重定位和地址映射重定位和地址映射 在设计程序时，程序设计员使用的是逻辑地址空间。在程序调入内存实际执行时，OS再将逻辑地址空间转换为内存

4、的实际地址空间，称为地址映射。 重定位主要指以下两种情况：一是当某程序装入内存运行时，根据其所获得的空间位置，将程序的逻辑地址映射成相应的物理地址，以便将该程序定位在其所获得的物理空间内；二是在程序的执行过程中，如果系统移动了其在内存的位置，需要将程序的逻辑地址重新映射成新的物理地址。 根据地址映射的时间，可把重定位分成两类： 静态重定位：如果地址映射是在程序运行之前由编译、连接、装配程序一次完成的，则叫静态重定位。静态重定位要求事先知道程序将放在内存的什么地方。地址映射的方法是将程序中的所有逻辑地址，包括指令本身的地址和指令中的操作数的地址(它们都是相对于0编址的)逐个变换成物理地址。 动态

5、重定位：若地址映射是在程序执行时进行的，就叫动态重定位。 一般地，静态重定位由连接装配程序完成，而动态重定位一般由硬件提供的地址映射机构再加上软件的配合来实现。 在设计程序时，程序设计人员使用的是逻辑地址空间，他没有必要也不会考虑程序在内存中的实际位置。在程序调入内存实际执行时，操作系统再将逻辑地址空间转换成内存的物理地址空间，这称为地址映射。这种映射由操作系统自动完成，对用户来说是透明的。 虚拟存储虚拟存储 主机直接访问的存储器速度快，但容量小，价格贵；外存储器容量大，价格便宜，但速度慢。如何合理组织这两种存储器，充分发挥各自的长处，是存储管理需要解决的问题之一。这导致了虚拟存储器的概念的出

6、现。所谓虚拟存储器，就是把内外存连起来统一使用。 从程序设计者的角度看，它是一个均匀一致的存储空间，相当于扩大了内存的容量。 其基本思想是，把当前正在使用的部分保留在内存中，其他暂时不用的部分放在外存，运行时根据需要由操作系统把保存在外存的部分调入内存。这种由内存和外存连结成的存储器，称为虚拟存储器(简称虚存)。虚存是逻辑上的概念，从程序设计人员的角度来看，也可把程序的逻辑地址的全体所对应的存储器称为虚拟存储器。这两种说法是等价的。 虚拟存储器的容量只与CPU的地址结构有关。如果CPU的地址位是20位，那么程序可寻址范围是1M（2的20次方），奔腾芯片的地址位是32位，那么程序可寻址范围是4G

7、（2的32次方）。 在Windows NT中，为程序设计人员提供的逻辑内存是4G，Windows NT甚至允许用户把硬盘上的空间设置为虚存，供操作系统使用，一般地，虚存的大小设置为实际内存的2倍左右。 向用户提供一个比实际内存大得多的逻辑内存是很吸引人的，不过，虚存的实现是以占用CPU的时间为代价而获得的，也就是所谓的“以时间换取空间”，过多的对换显然会降低计算机系统的性能，此时，增加物理内存数量就是提高系统性能的最好方法了。另外，磁盘的读写速度显然对系统的性能也有较大的影响。存储管理方式存储管理方式分区管理分区管理 分区管理的基本思想是，把内存空间静态地或动态地分割成若干大小不等的区域，每个

8、作业分配一片连续的存储空间，程序一次整体装入。分区管理分为固定式分区管理、可变式分区管理和可重定位分区管理。 固定式分区管理固定式分区管理，即在系统初启时一次分定，在系统运行期间不变，分割是静态的。固定式分区管理的主要优点是简单易行，特别是对于作业大小可事先知道的专用系统，这种方法比较实用，但是浪费较大，用不完的空间也不允许其他的进程使用。 可变式分区管理可变式分区管理是为了克服固定分区造成的存储空间的浪费而提出来的。在作业运行过程中，根据作业的实际需要动态地分割存储空间，且分区的个数也是可变的，分割是动态的。这种方式的优点是：分区的大小和个数可以满足作业的需求，能比较有效地使用内存，分配较为

9、灵活。“碎片” 可重定位分区管理可重定位分区管理是为了减少“碎片”，提高存储空间的利用率。但需花费大量的时间。 作业作为一个整体装入相邻的空间。 多重分区策略多重分区策略是将一个作业的几个独立的程序段或数据段分别装入到不相邻的分区中，无需重定位，减少“碎片”，提高存储空间的利用率。分页管理分页管理分页存储管理的基本思想 将每个进程的虚拟地址空间按固定大小(如 2KB或 4KB)分成若干个相等的页面，并用 0、1、2等序号表示，叫做虚页面； 把内存空间也按同样大小分为若干个相等的页面，也用 0、1、2等序号表示，叫做实页面。 在对进程进行存储分配时，将进程的虚页面映射到内存中的实页面上，这些实页

10、面可以是不连续的。 用户程序的虚页数可以大大超过内存的总页数。正在使用的虚页面在内存中，暂时不用的页则放在磁盘中。虚页和实页之间的映射是通过页表来实现的，每个在运行的进程都有一张页表，当进程需要使用某个不在内存中的虚页面时，则发出缺页中断，调入缺页并修改页表，继续执行被中断的进程。一次只须把程序的一部分装载到内存。 内存和虚页面交换时，由于内存大小的限制，常常需要从内存淘汰一些页面，把它们回写到外存中。淘汰算法常见的有： 先进先出，即先淘汰最先进入内存的页面。 先淘汰最长时间不用的页面或着先淘汰最不经常使用的页面。 先淘汰将来最长时间以后才要访问的页面。分段存储管理分段存储管理 一个用户程序通

11、常由一个主程序、若干个子程序和数据区组成，我们把每一个像这样的逻辑信息组称做“段”，这时用户程序的逻辑地址空间变成了二维地址空间（把整个逻辑地址空间分为若干段，每一个段段内又从0开始记数）。我们可以以“段”为单位进行内存管理。这就是“分段式”内存管理的思想。 “段”是信息的逻辑单位，是由程序设计人员规定的，其长度随程序的不同而变化的； 分页管理中的页面，对用户和程序员来说都是不可见的，一切都由操作系统和硬件相互配合完成：确定页的长度，进行分页等。 和分页式管理一样，为了记录各段在内存中的存储位置及长度，以便进行虚拟地址到实地址的转换，在分段存储管理中对每个进程建立一个段表。当然，系统还需要设立

12、一个段表地址寄存器保存进程的段表在内存中的起始地址和段表的长度。 分段式管理需要把整个段调入内存，如果一个段过大，这样做就很不方便甚至是不可能的，这就导致了“段内再进行分页”的出现，这就是段页式存储管理。段页结合存储管理段页结合存储管理 段内再进行分页 段页结合是指在分段的基础上，对各个段又进行分页。把段调入内存时，虚页面与对实页面相对应，一页一页地存放。 同一信息段的各页可以不连续地存放于内存中，减少了移动的开销。 不需要把一个段整段地调进内存，而是在程序执行过程中根据需要按该段的分页逐页请调，分段的最大长度不受内存大小的限制。 段页结合存储管理的地址映射是通过查段表和页表进行的。对于每个进

13、程有一个段表，每个段有一个页表。根据虚拟地址中的段号查寻段表得出该段页表的始地址，然后根据虚页号查页表得到实页号 (块号)。每个进程段表的存放地址由段表寄存器的内容得到。 尽管段页结合存储管理方法综合了分页和分段存储的优点，比较完善，但是虚拟地址的再定位比较复杂，需要更多的硬件支持和管理开销。存储保护存储保护 存储保护通常是由软件与硬件的相互配合来实现信息的共享与保护的。存储保护包括两方面的内容：越界保护越界保护 越界保护一般是通过一对界地址寄存器实现的。在分页和分段环境下，利用给出的作业的最大页号 (页表长度 )和段号 (段表长度 )实现。程序运行时，页表长度或段表长度被放入页表或段表地址寄存器的左边部分，当中央处理机访问某虚拟地址时，硬件自动把页号 (段号 )与页表 (段表 )长度进行比较