存储器管理

1、程序的装入与链接

（1）程序的装入

（2）程序的连接

本章知识点流程图：

层次越高，越靠近CPU，访问速度越快，价格越高。

内存掉电之后信息不保存，除非已经写入到外存中。

1、程序的装入与链接

（1）程序的装入

多道程序环境下，程序要运行必须为之创建进程，而创建进程的第一件事就是分配内存。

将一个装入模块装入内存（第三步开始）时，有三种装入方式：

重定位：把在装入时对目标程序中指令和数据的地址修改过程称为重定位。

（2）程序的连接

2、连续分配存储管理方式

连续分配方式为一个用户程序分配一个连续的内存空间

连续分配有以下几种：

（1）单一连续分配

即将内存分为系统区和用户区，整个内存的用户空间由该程序独占。

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.

（2）固定分区分配

固定分区分配是最简单的可运行多道程序的存储管理方式；内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区中只装入一道作业；

固定分区分配的缺点是：并发进程数受分区个数的制约！

划分分区的方法

分区大小相等

方便实用

缺乏灵活性。可能造成空间浪费和装不下大的程序。

分区大小不相等

灵活度高

（3）动态分区分配

根据进程的实际需要，动态地为之分配内存空间；

需要设置空闲分区表和空闲分区链:

分配算法：需要选择合适的内存动态分配算法，按照算法从空闲分区（链）中选出一个分区分配给该作业。

a. 基于顺序搜索的动态分区分配算法

算法	思想	优点	缺点	效果
首次适应算法FF	分配时从链首开始查找，找到一个大小可满足的空闲分区，划出一块给程序	简单；优先利用低地址空闲区，保留高地址大空闲区	会造成在低地址部分很多难以利用的小空闲分区，查找效率低	最好、最快
循环首次适应算法	每次分配时从上一次找到空闲分区的下一个空闲区开始查找	减少查找空闲分区开销，空闲分区分布更均匀	缺乏大的空闲区	其次好和其次快的
最佳适应算法	空闲区按容量由小到大排序每次分配时，把能满足要求、又是最小的分区分配给作业	不缺乏大的空闲区	会在存储器中留直许多难以利用的小分区——“零头（或碎片）”；查找效率低	最差的（每次分配后剩下小碎片，难再分，不得不经常压缩内存，反而浪费CPU）
最坏适应算法	空闲区按容量由大到小排序每次分配时，把能满足要求、又是最大的分区分配给作业	会在存储器中留直许多难以利用的小分区——“零头（或碎片）”；查找效率低	缺乏大的空闲区

b. 基于索引搜索的动态分区分配算法

算法	思想	优点	缺点
快速适应算法	将空闲分区根据容量进行分类，对于每一类，单独设立一个空闲分区链表；分级索引	查找效率高，满足大空间的需求	分区合并算法较复杂
伙伴系统算法
哈希算法

c. 动态分区的优缺点

优点：便于动态申请内存；便于共享内存；便于动态链接

缺点：碎片问题(外碎片)，要求连续的内存空间，内存利用率不高，受实际内存容量限制

（4）可重定位分区分配

1. 对于碎片的处理方式

紧凑技术：通过在内存移动程序，将所有小的空闲区域合并为大的空闲区域.

（紧缩技术，紧致技术，浮动技术，搬家技术）

问题：开销大；移动时机

2. 动态重定位

在连续分配存在方式中，程序载入必须有足够大的连续空间才能分配。

动态重定位分区分配算法，与动态分区分配算法基本上相同；

差别仅在于：在这种分配算法中，增加了“紧凑”功能；

3. 优缺点

优点:解决了可变分区分配所引入的“外零头”问题。消除内存碎片，提高内存利用率。

缺点:提高硬件成本，紧凑时花费ＣＰＵ时间。

（5）对换

所谓“对换”，是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据，调出到外存上，以便腾出足够的内存空间，再把已具备运行条件的进程或进程所需要的程序和数据，调入内存。对换是提高内存利用率的有效措施。
对换是以整个进程为单位，称之为“整体对换”或“进程对换”，解决内存紧张问题；
对换是以“页”或“段”为单位，则分别称之为“页面对换”或“分段对换”，又统称为“部分对换”；
为了实现进程对换，系统必须能实现以下三方面的功能：

（1）对换空间的管理：
（2）进程的换出：选择处于“阻塞”状态且优先级最低的进程作为换出进程；
（3）进程的换入：在“就绪”状态但已换出的进程，中换出时间最久的进程作为换入进程；

3、分页和分段方式及其概述

（1）为什么要用分页和分段方式？

因为连续分配地址空间会形成许多碎片，虽然有“紧凑”的方法可以拼接碎片，但是开销很大。所以考虑将进程分散的装入不相邻的分区中，充分用空间。

分页存储管理：将用户程序分成若干大小固定的区域成为页面，（典型为1KB大小），相应的也将内存空间分为若干和页块大小相同的物理块，用户程序可以放入任意一物理块。

分段存储管理：为满足用户要求，将程序分为大小不同的若干段，每一段定义相对完整的信息，在内存分配时以段为单位，段在内存中可以不邻接。

段页式存储管理：先将用户程序分为若干个段，再将每个段分为若干页，并为每一个段命名。

（2）分段与分页的去区别

分页	分段
页的信息是物理单位，分页实现离散分配方式	段是信息的逻辑单位，包含一组完整的信息
消减外零头，提高内存利用率，对用户不可见	为了便于满足用户的需求
页面大小固定，由系统决定	段的长度不固定，用户决定
分页的用户程序的地址空间是一维的	分段的用户程序的地址空间是二维的

4、基本分页存储管理方式

定义：分页存储管理的方式中，不具备页面对换功能，则基本的（纯）分页管理方式，它不具有支持实现虚拟存储器的功能，它要求把每个作业全部装入内存后方能运行。

（1）页面与页表

分页：把用户程序按逻辑页划分成大小相等的部分，称为页或页面。从0开始编制页号，页内地址是相对于0编址。

碎片，进程划分到最后一页没有填满整个页，形成不可利用的碎片

物理块：内存空间分为若干物理块，块和页的大小相等；

页面，将进程逻辑地址空间分成若干页，编号：0,1,2…；

页面大小：页面的大小应选择的适中，且页面大小应是2的幂，通常为

1KB~8 KB，页面过大，减少页表长度，导致碎片增大；页面过小造成程序占用较多页面，导致页表过长，占用大量内存。

（2）页表

用户程序中的逻辑地址——主存中的物理地址，对应关系表。

（3）地址变换

（4）地址变换机构

地址变换机构的作用是，在进程运行期间，实现从逻辑地址到物理地址的转换，页表的功能是由一组专门的寄存器来实现的，一个页表项用一个寄存器。

这种方式，由于页表是存放在内存中的，这使CPU每次要存取一个数据时，都要两次访问内存。第一次访问内存中的页表。第二次获得所需数据。

进程访问某个逻辑地址的数据过程如下：

分页地址机构自动将有效地址分为页号和页内地址（逻辑地址）；
将页号与页表长度进行比较，若大于页表长度则不存在这一页产生中断；
若为出现错误则将页表起始地址与页表*页表长度的值相加，得到该表项在页表中的位置，
以页号为索引去检索页表，得到对应的物理块号，将之装入物理寄存器中
与此同时再将第一步中的（逻辑地址）中的页内地址送入物理地址寄存器的块内地址的地址字段中。

（5）具有块表的地址变换机构

为提高地址变换速度，在地址变换机构中增设一个具有并行查询能力的高速缓冲寄存器，又称为“联想寄存器”或“快表”。

由于成本关系，块表不可能很大，快表通常可存放16-512个表项，如果设计得当，命中率可达90％以上。通常可以把循环指令中的页放到快表中（访问次数多）

在查找访问对于逻辑数据时，一部分直接查找快表，一部分按照页表寄存器查找，可以有效增加效率。

查快表相当于只需要一次访问就可以获得数据，查页表则需要两次访问

（6）两级页表

二级页表需要三次访问才能获取数据。

（7）反置页表

5、基本分段存储管理方式

（1）分段与分页的区别：

分页存储管理的主要目的是为了提高内存利用率；
分段存储管理的主要目的是为了满足用户在编程和使用上的要求；
页是信息的物理单位,段则是信息的逻辑单位；
页的大小固定且由系统决定,而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序；
分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需利用一个记忆符，即可表示一个地址；而分段的作业地址空间则是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。