软件技术基础存储管理

1、2.4 存储管理对主存储器空间的管理内存的分配与管理虚拟存储技术地址变换存贮空间保护1存储器层次结构快速缓存：Cache内存：DRAM, SDRAM, DRDRAM等；外存：软盘、硬盘、光盘、磁带等；22.4.1 存储管理的功能内存的分配与管理内存的共享与保护地址变换主存的“扩充”虚拟内存覆盖与交换技术3一、内存分配与管理内存分配就是为进程分配内存空间，涉及以下问题：管理内存分配表：记录分配情况、空闲情况等制定分配策略制定内存划分方式放置策略调入策略淘汰策略等分不等分4二、内存共享与保护共 享保 护共享内存资源，程序并发执行；共享内存中公共信息。避免并发执行的程序相互干扰；避免用户程序侵犯系统

2、区。5三、地址变换逻辑地址（程序空间）物理地址（内存空间）重定位0000Memory地址是以字节为单位的存储器编号内存空间（绝对空间）：整个系统内存从0开始以字节为单位编址物理地址程序空间（相对空间）：程序由机器代码组成，以字节为单位，每个程序都从0开始编址逻辑地址6四、虚拟存储技术引入原因：当作业很大，超过内存剩余时，无法装入装入的作业对内存利用率不高：99%的指令在短时间内都不会得到执行解决方法不需一次全部装入作业，程序部分装入就可以执行装入内存的程序在不需要访问时暂时从内存换出给用户感觉比实际空间大的虚拟空间虚空间大小虚空间的逻辑大小 可寻址范围虚空间的实际大小 内存外存对换区例：32位

3、操作系统的可寻址范围是232=4GByte78程序的装入和链接从用户源程序到内存中可执行的代码将经历：编译：完成源程序从高级语言到机器可理解代码的转换根据任务的需要可能形成若干相对独立的目标模块链接：将目标模块链接起来，如标准库、系统库形成一个完整的装入模块装入：由操作系统的装入程序将装入模块装入内存涉及：内存空间的分配放到内存什么地方地址空间的映射地址变换9（1）程序的装入A、绝对装入方式装入模块的地址与内存实际地址完全相同系统装入程序时工作最简单，直接分配，不变换地址要求：用户使用绝对地址编程用户了解程序在内存中的存放位置用户控制内存使用情况10B、静态重定位装入方式装入模块中使用从0开始

4、的相对地址装入时，由系统分配内存空间，并完成装入模块中相对地址变换为绝对地址重定位逻辑地址基地址+物理地址装入模块中的相对地址11装入时的地址变换MOV ax , 2500365010002500100001100012500MOV ax , 2500365程序空间内存空间01250012500 10000+2500物理地址基地址相对地址12C、动态重定位装入方式装入模块中使用相对地址，装入时不变换地址， 在执行时才完成地址的变换方便了模块的动态装入动态重定位需特殊的硬件支持重定位寄存器利用硬件地址变换机构13（2）程序的链接0000装入模块目标模块将任务所需的目标模块链接起来，形成一个完整的

5、装入模块目标模块使用的地址是相对的，都是从0开始形成统一地址空间的装入模块的过程链接14A、静态链接装入模块是完整的，包含所有的目标模块C、运行时动态链接装入模块不完整，装入时也没有装入所有的模块运行时根据需要，找到所需模块，装入，链接，再执行。需要动态重定位的支持装入模块并不包含所有目标模块由系统装入程序在装入同时找到需要的其它模块，并链接B、装入时动态链接15运行时动态链接例printf( “ OK” );printf( “ OK” );主模块库模块void printf()00装入模块void printf()编译装入printf( “ OK” );执行33600Hcall 33600H

6、运行时动态链接内存162.4.2 连续分配存储管理特点：为一个用户程序分配一个连续的内存空间程序空间本来就是连续的用连续的内存装入连续的程序，减少管理工作的难度可分为：单一连续区存储管理分区存储管理17单一连续区存储管理内存分为两个区域：系统区，用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。最简单，适用于单用户、单任务的OS。优点：易于管理。缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，很少使用的程序部分也占用内存。18分区存储管理把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用进程占用一个或几个分区；操作系统占用其中一个分区。特点：适用于多道程序系统和分时

7、系统支持多个程序并发执行可能存在内零头（分配给用户但没有被使用的空间）和外零头（没有分配但无法分配的空间）按不同分配方式，分为：固定分区可变分区19一、固定分区基本思想：将内存区固定地划分为大小相等或者不等的区域，每个分区装入一道作业。分区划分后，每个分区的长度和内存中的分区总数将保持不变。内存分配表分区号大小起始地址状态14K0000H未分配28K4000H已分配312K12000H未分配20固定分区(大小相同)固定分区(多种大小)优点：易于实现，开销小。缺点：内零头造成浪费分区总数固定，限制了并发执行的程序数目21二、可变分区（动态分区）基本思想：根据作业任务的大小划分分区，分区的大小和数

8、目不再固定。分配区控制块空闲区控制块AMCB (Allocation Memory Control Block)FMCB (Free Memory Control Block)22分配过程：10 K作业 1作业 2作业 3作业 12 K作业 21 K作业 34 K作业 1作业 3作业 4作业 43 K23分配算法（空白分区选择）1、首次适应FF ( First Fit )（1）将空白分区按地址递增顺序链接（2）从链首开始查找适合的分区优先分配内存中低地址部分优点：缺点：简单在低地址部分会积累大量外零头（3）从选中的分区中分出所需的大小，其余部分仍留在空白分区链表里24选取最适合的空白分区大分区

9、保证缺点：优点：效率不高零头更小（1）将空白分区按大小递增顺序链接（2）从链首开始查找适合的分区2、最佳适应BF ( Best Fit )253、最坏适应WF ( Worst Fit )？选取分区中最大的一个最不适合的（1）将空白分区按大小递减顺序链接（2）从链首开始分配分区优点：查找效率显著提高，一次就找到缺点：大作业容纳能力会下降26“拼接”/“紧缩”技术多次分配、回收后，形成小空闲区无法使用。这时需要使用拼接或紧缩技术将已分配分区移动，使未分配分区合成较大分区。对占用分区进行内存数据搬移占用CPU时间如果对占用分区中的程序进行浮动，则其重定位需要硬件支持。紧缩时机：每个分区释放后，或内存

10、分配找不到满足条件的空闲分区时。272.4.3 覆盖与交换技术引入原因：在分区管理技术中，程序的地址空间（逻辑地址空间）可能大于实际存储器空间，使程序无法装入（无法运行）。覆盖（Overlay）交换（S）28一、覆盖（Overlay）一段内存区可以先后被不同的程序段重复使用常驻区（非覆盖区）覆盖区初始段处理段输出段程序员必须自己设计覆盖结构覆盖断划分困难，不易实现29二、交换（S）在内、外存之间进行数据和程序的交换内 存磁 盘交换技术一般与分区、分页、分段管理技术结合使用。302.4.4 分页存储管理连续分配方式要求连续存放，产生大量的内/外零头，浪费空间。引入离散分配方式程序在内存中不一定连

11、续存放页块逻辑地址物理地址非连续地址映射31一、分页管理的基本思想页：将逻辑地址空间划分为大小相同的块，称为页或虚页面（Page）块：将实际物理空间划分为与页大小相等的块，称为存储块或页框（Page Frame）没有外零头，仅有小于一个页面的内零头优点:一个块可以装入一页逻辑地址连续的页可以通过地址变换机构映射到不连续的内存块中32二、分页管理的基本方法关键问题：如何实现页到块的地址变换？通过页表实现。012m内存012n用户程序012n012n3m-21m-1页表页号块号33页面地址转换页面地址转换通过下述3种数据结构实现：（1）存储分块表（MBT）整个系统一个，记录所有内存块的状况。块号作

12、业ID状态01nOS作业1作业n忙闲忙34（2）页表（PT）页号块号0211024每个作业一个，记录作业的页与内存块的关系页表在作业装入时创建，作业撤销时撤销。作业被调度时，页表存放在页表控制寄存器PTCR中（3）作业表（JT）作业号页表大小页表始址状态020已分配116未分配240已分配整个系统一个，记录所有作业的页表情况。35页面地址到物理地址转换过程：(1) 作业被调度时首先通过JT找到相应页表的起始地址及大小，并装入PTCR(2)将页号与PTCR中的页表大小进行比较，若页号页表大小则为非法访问，产生越界中断；否则为合法访问，根据页表起始地址和页号找到该页页表表项(3)通过页表表项找到逻

13、辑页所对应的物理块号，然后将块号与页内偏移地址结合形成物理地址36页表始址页表大小PTCR +块号块内地址物理地址寄存器页号页内地址逻辑地址寄存器越界？页号块号J1的页表2404010作业号页表大小页表始址状态J020已分配J1161024已分配JT21037 例：设块大小为32，利用下面的页表，将逻辑地址140变换为物理地址。解：1）逻辑地址有效地址页号INT140/324页内地址140%32122）查页表得到块号为53）物理地址532+12172页号块号0617223445510382. 快表问题引入：两次内存访问访问页表得到物理地址访问物理地址得到数据快表：用于存放当前页表中最频繁访问表

14、项的高速缓存(Cache)。基于快表的分页系统：先查找快表，未成功再查找页表（p.132 图2.34）393.请求式分页属于虚拟存储管理：部分装入、请求调入、页面置换需要的页面是否已装入内存？当需要访问的页面不在内存中如何处理？当发现将要用到的页面不在主存中时产生缺页中断，由缺页中断来完成页面的调入缺页中断将耗费系统时间，缺页率是影响系统性能的主要因素缺页率：需要访问的页面不在内存中次数在总页面访问次数的比率40如果要访问的页不在内存中缺页中断处理页号块号存取控制状态位引用位修改位外存地址引用位：0 未访问过1 访问过对页表扩充：让系统了解页面状态修改位：0 未修改1 已修改过状态位：0 不在

15、内存1 在内存41缺页中断的处理过程 ：相对地址页号页内地址页表始址页表大小页表控制寄存器+块号块内地址物理地址寄存器逻辑地址寄存器越界？页号块号页表状态位缺页中断21503016042页面淘汰算法若缺页中断处理时内存已无空闲分块？页面置换(页面淘汰)页面淘汰算法抖动Thrashing频繁地调进和调出页面，特别是被换出的页面在短时间内又要被换入，系统开销显著增加，以至于系统吞吐量大大下降43（1） FIFO算法 先进先出算法最简单的算法（2） LRU算法 最近最久不用页面被淘汰（3） LFU算法 最近最少使用页面被淘汰常用页面淘汰算法：445. 分页式存储管理特点3重定位方便2保护功能好1存储

16、效率高4易于共享5开销稍微偏大452.4.5 分段存储管理引入原因：按页划分程序的模块化矛盾以段为内存分配单位优点：方便程序设计，便于内存共享、保护、动态装入。46分段实现思想作业按逻辑信息的完整性分段，段有段名和段号；段长度由程序决定，可动态延伸；各段都是从0开始编址的连续地址空间（二维）一个段是连续的，各段可以离散存放；472. 分段的地址转换段表：每进程一个，记录进程内段与内存实际段存放基地址的映射关系。段号段长02k11k240k主存始址1004000存取控制增补位010RWRW特征位110修改位100段表（ST）示意图48地址变换机构和过程：段表始址段表大小段表寄存器（JT）+物理地

17、址寄存器越界？段号基址段表4100段号逻辑地址寄存器段内地址+绝对地址493. 段的共享与保护段的共享： 段表中同一起始地址段的保护：地址越界保护存取控制保护50分段方式的内存共享共享段表段号基址进程1段表进程2段表段名1256始址内存共享进程数记录共享段和进程的信息，以便共享段的分配和回收514. 分段与分页的比较（1）“分页”是系统活动，用户无法介入，页的大小固定“分段”是用户可见的，段大小可变（2）页式信息的物理单位，不是完整的逻辑单位段是完整的逻辑信息单位（3）分页的作业空间是一维的，是单一线性空间分段的作业空间是二维的。522.4.6 段页式管理技术引入原因：分页的优点：分段的优点：

18、存储器利用率高符合程序的模块结构+段页式存储管理53段页式实现思想有效地址 =段名段内地址段内页号+页内地址用户程序分段，段内分页（系统自动）系统内存分块（系统自动）每块装入一页，各块之间可以不连续123542. 段页式地址转换机构段表 页表实现地址转换段表：记录每一段段内页表地址240段号页表长页表始址段长段内页表页号块号0211页号块号01019220553. 段页式地址转换过程+物理地址寄存器逻辑地址段号段内地址页号页内地址段表始址段表大小段表寄存器段号页表始址段表页号块号页表块号块内地址+！段页式也可引入快表564. 段页式的优缺点优点：缺点：结合了分页和分段的优点，既有效利用了存储器

19、，也符合逻辑习惯，便于保护、共享。由于程序分段，段内分页，造成地址转换速度降低，系统结构复杂。57Windows 的存储管理NT使用的页面大小为4KB（212）。每个NT进程地址空间为4GB（232），其中：用户存储区：在用户态和核心态都可访问的用户存储区为2GB；用户存储区为页交换区，可对换到外存；用户存储区的内容包括：专用进程地址空间：用户代码、数据和堆栈；线程环境块（TEB）：用户态代码可修改的线程控制信息；进程环境块（PEB）：用户态代码可修改的进程控制信息；共享用户数据页：系统存储区映像，为用户态可访问的系统空间，目的在于避免用户态与核心态的频繁切换；如：系统时间。58有效状态(active or valid)：某进程正在使用该页面，也可能不属于任何进程(如不可对换的内核页面)；过渡状态(transition)：页面处于不属于任何进程的过渡状态，用于避免页面冲突。如正在进行页面与I/O设备间的数据传送。清零状态(zeroed)：空闲且已被清零；空闲状态(free)：空闲但尚未被清零；修改状态(modified)：已标记为无效，但对该页面内容的修改尚未写入外存，可快