计算机操作系统课件：第5章存储器管理01-基本概念和连续存储管理

1、第五章 存储器管理内存外存1本章节的主要内容 1 连续分配存储管理方式 2 分页存储管理方式 3 分段存储管理方式 4 段页式存储管理方式 5 虚拟存储器（扩大内存容量）离散分配方式2本节课的主要内容 1 存储器的层次结构 2 程序的装入和链接 3 连续分配方式 4 覆盖技术与交换技术3存储器负责保存整个计算机系统中的数据。存储器管理主要是对内存的管理，但也包括对内存和外存交换信息的管理。内存分为系统区和用户区两部分，系统区用来存储操作系统等系统软件，用户区用于分配给用户程序使用，存储管理实际上是对内存用户区的管理。存储器朝高速度、大容量和小体积的方向发展。存储器管理前言4目前微机的存储层次结

2、构 从上到下，访问速度渐慢，容量渐大，价格渐低。 最佳状态: 各层次的存储器都处于均衡的繁忙状态。 由操作系统协调这些存储器的使用。5各种存储器简介寄存器（Register）：有限、最快、易变。 是中央处理器内的一个组成部分。在中央处理器的控制、算术及逻辑部件中都包含的寄存器。 是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。高速缓存（Cache）：少量、非常快、易变。 加在CPU与主存储器之间，缓解速度的差异，提升系统的执行效率。 外围设备也会加上 Cache来提升该设备的数据存取效率。6各种存储器简介（续）内存（RAM，随机存取存储器）： 若干兆字节、中等速度、易变。 存放当

3、前正在使用的（即执行中）的数据和程序。 一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据就会丢失。 外存： 像硬盘、软盘、磁带、 光盘等。 数百兆或数千兆字节、低速、不易变。 能长期保存信息，不依赖电源。 7内存管理主要功能(1)内存分配和回收 为运行进程的程序和数据分配内存空间，并在不需要时进行回收。(2)地址转换 必须配合硬件进行地址变换工作，把用户使用的逻辑地址(又称相对地址或虚拟地址)转换成处理器能访问的物理地址(又称绝对地址或实地址)。8逻辑地址与物理地址逻辑地址（相对地址，虚地址） 用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码通常采用相对地址的形式，其首地址为0，其余指令中的地址都相对

4、于首地址而编址。 处理机不能直接用逻辑地址在内存中读取信息。物理地址（绝对地址，实地址） 内存中存储单元的地址，可供处理机直接寻址。9(3)内存空间的共享与保护 共享是指若干个进程能够共同访问公共程序所占的主存区。 保护使在内存中的各道程序，只能访问它自己的区域，避免各道程序间相互干拢，特别是当一道程序发生错误时，不致于影响其他程序的运行。通常由硬件完成保护功能，由软件辅助实现。(4)内存扩充 用户在编制程序时，不应该受内存容量限制，所以要借助于虚拟存储技术或其他自动覆盖技术，为用户提供比实际内存空间大的地址空间，从而实现内存容量“扩充”的目的。内存管理主要功能（续）10内存装入程序源程序装入

5、模块链接程序库编译程序目标模块5.1.4 程序的链接和装入编译：由编译程序将源程序编译成若干个目标模块。链接：由链接程序将编译后形成的目标模块以及它们所需要 的库函数链接在一起形成装入模块（可执行文件）。装入：由装入程序将装入模块装入内存。构造PCB，形成进程。11内存的分配方式一连续分配方式：用户程序装入内存时系统分配一块连续的内存区域。1. 单一连续分配2. 分区分配12只能用于单用户、单任务的操作系统中。工作原理：在单道环境下，不管是单用户系统还是单道批处理系统，进程（作业）执行时除了系统占用一部分主存外，剩下的主存区域全部归它占用。主存可以划分为三部分：系统区、用户区、空闲区。内存的用

6、户区一次只分给一个用户程序使用。用户占用区是一个连续的存储区所以又称单一连续区存储管理。单一连续分配的存储管理13单一连续存储管理优点：简单，易于管理。缺点： 对要求内存空间少的程序，闲置内存空间较多，造成内存浪费； 14 分区式存储管理1 原理2 固定分区(fixed partitioning)3 动态分区(dynamic partitioning)15原理：把内存分为一些大小相等或不等的连续分区。 操作系统占用其中一个分区，其余由应用程序使用，每个应用程序占用一个或多个分区。特点：适用于多道程序系统和分时系统。 支持多个程序并发执行。问题：可能存在内碎片和外碎片。内碎片：占用分区之内未被利

7、用的空间。外碎片：占用分区之间难以利用的空闲分区 （通常是小空闲分区）。 分区式存储管理16 固定分区(fixed partitioning)工作原理： 预先把可分配的主存储器空间分割成若干个连续区域，称为一个分区。 每个分区的大小可以相同也可以不同,但分区大小固定不变。 每个分区装一个且只能装一个程序，而且系统需要建立一张分区使用表，表项包含每个分区的分区号、起始地址、长度及分配状态。当分配时找到符合的内存大小并且未分配就进行分配。 17 固定分区(fixed partitioning)分区大小相等： 只适合于多个相同程序的并发执行（处理多个类型相同的对象）。分区大小不等： 多个小分区、适量

8、中等分区、少量大分区。 可根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区。 把内存划分为若干个固定大小（个数固定，大小不能改变）的连续分区。18固定分区(大小相同)固定分区(多种大小) 固定分区19各个分区的碎片 固定分区20优点：易于实现，开销小。缺点：内碎片造成浪费。分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。 固定分区21动态分区(dynamic partitioning)工作原理： 内存不是系统预先划分好的，而是当程序装入时，根据程序的实际需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。若有足够的空间，则按需要分割一部分分区给该进程；否则令其等待内存空间。22 1. 首次适应算法(first-fi

9、t) 按分区在内存中的先后次序从头开始找，找到符合要求的第一个分区进行分配。优点：分配和释放的时间性能较好，较大的空闲 分区可以被保留在内存的高址部分。缺点：随着低址分区不断划分，容易形成多个过 小分区而难以利用，成为外碎片。同时这 些小分区增加了查寻时的判断时间，每次 分配时查找时间开销会增大，降低效率。 常用的动态分区分配算法23 改变首次适应算法每次从链首开始查寻造成的缺陷。 从上次分配的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，到最后分区时再从头开始循环查找，直到找到符合要求的第一个分区进行分配。 优点：使内存区分配比较均匀，减少查寻次数。 缺点：大空闲分区不易保留，大进程无法进入。2. 循环

10、首次适应算法（next-fit ） 常用的动态分区分配算法24 按分区在内存中的先后次序从头开始找，找到其大小与要求相差最小的空闲分区进行分配。 空闲分区链（为了加速查找）：按照分区容量递增的方式形成，分配时从链首开始查找，这样找到的第一个大小可以满足的分区肯定是与进程申请空间大小最接近，甚至是完全吻合的分区。 优点：外碎片较小，较大空闲分区可以被保留。 缺点：剩余分区肯定是相对最小的，外碎片较多，每次 分配都会产生一个难以再利用的小“碎片” 。3. 最佳适应算法（best-fit）25 按分区在内存中的先后次序从头开始找，找到最大的空闲分区进行分配。（“最差” 不是指这种算法的性能最差，相反

11、在某种情况下，它却是一种性能“最佳”的算法。） 空闲分区链（为了加速查找）：按照分区容量递减的方式形成，分配时从链首开始，若链首分区大小不满足，则可以肯定不存在能够满足要求的分区；否则对链首分区进行划分。 分割后空闲块仍为较大空块，基本不留下小空闲分区。优点：基本不留下小空闲分区，不易形成外碎片。缺点：较大空闲分区不易被保留。4. 最坏适应算法（worst-fit）26动态分区-回收内存当进程运行完毕释放内存时，系统根据回收区的首地址，从空闲分区链表中找到相应的插入点，进行回收。分区释放过程中需要将相邻的空闲分区合并成一个空闲分区，包括以下4种情况：回收区F1F2回收区F2回收区F1回收区27

12、动态分区-回收内存(a)M1、M2都非空，将回收区直接记录在空闲分区表或者插入空闲分区链中。(b)M1为空，M2非空，则首先将M1与回收区合并，修改M1大小为其原大小与回收区之和。(c)M1非空，M2为空，则首先将M2与回收区合并，修改M2始地址为回收区的始地址，M2大小为其原大小与回收区之和。(d)M1、M2都空，合并M1、回收区、M2，修改M1为原大小、回收区大小和M2大小三者之和，从空闲分区链中去掉M2。28动态（可变）分区分配的优缺点优点：有助于多道程序设计，提高了内存的利用率；要求硬件支持少，代价低；管理算法简单，实现容易。缺点：必须给作业分配一连续的内存区域；碎片问题严重，内存仍不

13、能得到充分利用；不能实现对内存的扩充。分区的大小受到存储器容量的限制。293.紧凑紧凑是解决“碎片”问题的一种方法。定义 通过移动，把多个分散的小分区拼接成大分区的方法被称为“紧凑”或“ 拼接”。代价与时间 紧凑的开销很大，当系统中每个空闲区域单独均不能满足，但所有空闲区域之和能够满足时才进行一次紧凑 。30目的：为了解决大程序与小内存之间的矛盾，引入了覆盖技术和交换技术。实质是对内存进行了逻辑扩充。5.3 覆盖技术与交换技术315.3.1 覆盖技术定义：指同一内存区可以被不同的程序段重复使用。可以相互覆盖的程序段叫做覆盖可共享的内存区叫做覆盖区把程序执行时并不要求同时装入内存的覆盖组成一组，