操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識

由天下分享時間：2022-04-08 11:46:19 加入收藏我要投稿點贊

什么是內(nèi)存管理？總的來說系統(tǒng)內(nèi)存管理包括物理內(nèi)存管理和虛擬內(nèi)存管理。這里給大家分享一些關(guān)于操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識，希望對大家能有所幫助。

物理內(nèi)存管理概述:

操作系統(tǒng)負責內(nèi)存空間的分配與回收

內(nèi)存空間的擴展：操作系統(tǒng)需要提供某種技術(shù)從邏輯上對內(nèi)存空間進行擴充

操作系統(tǒng)需要提供地址轉(zhuǎn)換功能，負責程序的邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換

操作系統(tǒng)需要提供內(nèi)存保護功能。保證各進程在各自存儲空間內(nèi) 運行，互不干擾

內(nèi)存空間的擴展:

覆蓋技術(shù):將程序分為多個段(多個模塊)。常用的段常駐內(nèi)存，不常用的段在需要時調(diào)入內(nèi)存。內(nèi)存中分為一個“固定區(qū)”和若干個“覆蓋區(qū)”。需要常駐內(nèi)存的段放在“固定區(qū)”中，調(diào)入后就不再調(diào)出(除非運行結(jié)束) 不常用的段放在“覆蓋區(qū)”，需要用到時調(diào)入內(nèi)存，用不到時調(diào)出內(nèi)存。

交換技術(shù)：交換(對換)技術(shù)的設(shè)計思想：內(nèi)存空間緊張時，系統(tǒng)將內(nèi)存中某些進程暫時換出外存，把外存中某些已具備運行條件的進程換入內(nèi)存(進程在內(nèi)存與磁盤間動態(tài)調(diào)度)

于操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識，希望對大家能有所幫助。

非連續(xù)分配管理方式

連續(xù)分配：為用戶進程分配的必須是一個連續(xù)的內(nèi)存空間。

非連續(xù)分配：為用戶進程分配的可以是一些分散的內(nèi)存空間。

什么是分頁存儲：

將內(nèi)存空間分為一個個大小相等的分區(qū)(比如：每個分區(qū)4KB)，每個分區(qū)就是一個“頁框”(頁框=頁幀=內(nèi)存塊=物理塊=物理頁面)。每個頁框有一個編號，即“頁框號”(頁框號=頁幀號=內(nèi)存塊號=物理塊號=物理頁號)，頁框號從0開始。

將進程的邏輯地址空間也分為與頁框大小相等的一個個部分，每個部分稱為一個“頁”或“頁面” 。每個頁面也有一個編號，即“頁號”，頁號也是從0開始。

操作系統(tǒng)以頁框為單位為各個進程分配內(nèi)存空間。進程的每個頁面分別放入一個頁框中。也就是說，進程的頁面與內(nèi)存的頁框有一一對應(yīng)的關(guān)系。各個頁面不必連續(xù)存放，可以放到不相鄰的各個頁框中。

(注：進程的最后一個頁面可能沒有一個頁框那么大。也就是說，分頁存儲有可能產(chǎn)生內(nèi)部碎片，因此頁框不能太大，否則可能產(chǎn)生過大的內(nèi)部碎片造成浪費)

具有快表的地址變換機構(gòu)：

快表，又稱聯(lián)想寄存器(TLB， translation lookaside buffer )，是一種訪問速度比內(nèi)存快很多的高速緩存(TLB不是內(nèi)存!)，用來存放最近訪問的頁表項的副本，可以加速地址變換的速度。與此對應(yīng)，內(nèi)存中的頁表常稱為慢表。

引入快表后，地址的變換過程：

① CPU給出邏輯地址，由某個硬件算得頁號、頁內(nèi)偏移量，將頁號與快表中的所有頁號進行比較。

② 如果找到匹配的頁號，說明要訪問的頁表項在快表中有副本，則直接從中取出該頁對應(yīng)的內(nèi)存塊號，再將內(nèi)存塊號與頁內(nèi)偏移量拼接形成物理地址，最后，訪問該物理地址對應(yīng)的內(nèi)存單元。因此，若快表命中，則訪問某個邏輯地址僅需一次訪存即可。

③ 如果沒有找到匹配的頁號，則需要訪問內(nèi)存中的頁表，找到對應(yīng)頁表項，得到頁面存放的內(nèi)存塊號，再將內(nèi)存塊號與頁內(nèi)偏移量拼接形成物理地址，最后，訪問該物理地址對應(yīng)的內(nèi)存單元。因此，若快表未命中，則訪問某個邏輯地址需要兩次訪存(注意：在找到頁表項后，應(yīng)同時將其存入快表，以便后面可能的再次訪問。但若快表已滿，則必須按照一定的算法對舊的頁表項進行替換)

局部性原理:

時間局部性：如果執(zhí)行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很有可能再次執(zhí)行;如果某個數(shù)據(jù)被訪問過，不久之后該數(shù)據(jù)很可能再次被訪問。(因為程序中存在大量的循環(huán))

空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也很有可能被訪問。(因為很多數(shù)據(jù)在內(nèi)存中都是連續(xù)存放的)

分段存儲管理方式:

進程的地址空間：按照程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個段，每個段都有一個段名(在低級語言中，程序員使用段名來編程)，每段從0開始編址內(nèi)存分配規(guī)則：以段為單位進行分配，每個段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間，但各段之間可以不相鄰。

分段、分頁管理的對比：

頁是信息的物理單位。分頁的主要目的是為了實現(xiàn)離散分配，提高內(nèi)存利用率。分頁僅僅是系統(tǒng)管理上的需要，完全是系統(tǒng)行為，對用戶是不可見的。

段是信息的邏輯單位。分段的主要目的是更好地滿足用戶需求。一個段通常包含著一組屬于一個邏輯模塊的信息。分段對用戶是可見的，用戶編程時需要顯式地給出段名。

頁的大小固定且由系統(tǒng)決定。段的長度卻不固定，決定于用戶編寫的程序。

分頁的用戶進程地址空間是一維的，程序員只需給出一個記憶符即可表示一個地址。

分段的用戶進程地址空間是二維的，程序員在標識一個地址時，既要給出段名，也要給出段內(nèi)地址。

分段比分頁更容易實現(xiàn)信息的共享和保護。不能被修改的代碼稱為純代碼或可重入代碼(不屬于臨界資源)，這樣的代碼是可以共享的。可修改的代碼是不能共享的。

虛擬內(nèi)存管理

傳統(tǒng)存儲管理方式的特征、缺點：

一次性：作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運行。這會造成兩個問題：

①作業(yè)很大時，不能全部裝入內(nèi)存，導(dǎo)致大作業(yè)無法運行;

②當大量作業(yè)要求運行時，由于內(nèi)存無法容納所有作業(yè)，因此只有少量作業(yè)能運行，導(dǎo)致多道程序并發(fā)度下降。

駐留性：一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直駐留在內(nèi)存中，直至作業(yè)運行結(jié)束。事實上，在一個時間段內(nèi)，只需要訪問作業(yè)的一小部分數(shù)據(jù)即可正常運行，這就導(dǎo)致了內(nèi)存中會駐留大量的、暫時用不到的數(shù)據(jù)，浪費了寶貴的內(nèi)存資源。

虛擬內(nèi)存的定義和特征:

基于局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快會用到的部分裝入內(nèi)存，暫時用不到的部分留在外存，就可以讓程序開始執(zhí)行。

在程序執(zhí)行過程中，當所訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負責將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù) 執(zhí)行程序。

若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負責將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出到外存。

在操作系統(tǒng)的管理下，在用戶看來似乎有一個比實際內(nèi)存大得多的內(nèi)存，這就是虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存有三個主要特征：

多次性：無需在作業(yè)運行時一次性全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存。

對換性：在作業(yè)運行時無需一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)運行過程中，將作業(yè)換入、換出。

虛擬性：從邏輯上擴充了內(nèi)存的容量，使用戶看到的內(nèi)存容量，遠大于實際的容量。

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