内存管理课件

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逻辑地址和物理地址程序中使用的地址是逻辑地址，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

2、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

3、出内存，存放到后备存储器，并在必要的时候重新调入内存，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的示意图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

4、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)OSprocess 5process 8process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 9process 2process 9process 10动态存储分配问题在给定的孔序列中，怎样满足大小

5、为n的请求？首次适应：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页式内存管理段式

6、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

7、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

8、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的大小不要求一样大分段的逻辑视图13241423user 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