软件技术基础_存储管理.ppt

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,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；,2.4.1 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,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：,放置策略,调入策略,淘汰策略,等分,不等分,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区。,三、地址变

2、换,逻辑地址 （程序空间）,物理地址 （内存空间）,重定位,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,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：

3、32位操作系统的可寻址范围是232=4GByte,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,（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,B、

4、静态重定位装入方式,装入模块中使用从0开始的相对地址,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,装入时的地址变换,MOV ax , 2500,365,0,1000,2500,10000,11000,12500,MOV ax , 2500,365,程序空间,内存空间,0,12500,C、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,（2）程序的链接,0,0,0,0,装入模块,目标模块

5、,将任务所需的目标模块链接起来，形成一个完整的装入模块 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,需要动态重定位的支持,运行时动态链接例,printf( “ OK” );,printf( “ OK” );,主模块,库模块,void printf() ,0,0,装入模块,void printf() ,编译,装入,printf( “ OK” );,执行,33600H,call 33600H,运行时动态链接,内存,2.4.2 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

6、分为： 单一连续区存储管理 分区存储管理,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。,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

7、分区,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,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,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),分配过程：,作业 1,作业

8、2,作业 3,作业 1,作业 3,作业 4,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,选取最适合的空白分区,大分区保证,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 ),3、最坏适应WF ( Worst Fit ),？,选取分区中最大的一个最不适合的,（1）将

9、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,“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，或内存分配找不到满足条件的空闲分区时。,2.4.3 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

10、wapping）,一、覆盖（Overlay）,一段内存区可以先后被不同的程序段重复使用,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,二、交换（Swapping）,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。,2.4.4 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续存放,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 Fram

11、e）,没有外零头，仅有小于一个页面的内零头,优点:,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。,0,1,2,m,内存,0,1,2,n,用户程序,0,1,2,n,0,1,2,n,3,m-2,1,m-1,页表,页号,块号,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。,（2）页表（PT）,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）,整个系统一个，记录所有作业的页表情况。,页面地址到物

12、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,+,40,10,JT,2,10,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%3212 2）查页表得到块号为5 3）物理地址532+12172,2.请求式分页,属于虚拟存储管理：

13、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,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,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 不在内存,1 在内存,缺页中断的处理过程 ：,相对地址,页号,页内地址,页表控制寄存器,+,块号,块内地址,物理地址寄存器,逻辑地址

14、寄存器,越界？,页号,块号,页表,状态位,1,60,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,（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：,3. 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项的高速缓存(Cache)。,基于快表的分页系统

15、：先查找快表，未成功再查找页表（p.132 图2.34）,4. 分页式存储管理特点,2.4.5 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。,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；,2. 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。,段表（ST）示意图,地址变换机构和过程：,+,越界？,4,100,+,绝对地址,3. 段的共享与保护,段的共享： 段

16、表中同一起始地址,段的保护：,地址越界保护,存取控制保护,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,1,2,5,6,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,4. 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。,2.4.6 段页式管理技术,引入原因：,分页的优点：,分段的优点：,存储器利用率高,符合程序的模块结构,+,段页式存储管理,段页

17、式实现思想,有效地址 =,段名段内地址,段内页号+页内地址,2. 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,2,40,2,20,3. 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,块号,块内地址,+,！段页式也可引入快表,4. 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，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。,Windows 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（23

18、2），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。,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