【操作系统/OS笔记04】内存分层体系、地址生成、连续内存分配概论

【操作系统/OS笔记04】内存分层体系、地址生成、连续内存分配概论

本次笔记内容：
3.1 计算机体系结构及内存分层体系
3.2 地址空间和地址生成
3.3 连续内存分配：内存碎片与分区的动态分配
3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理

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物理内存

计算机体系结构

• 主要包含CPU（完成对程序执行的控制）、内存（代码、处理数据）、外设。
• 内存的层次结构：
  • CPU访问寄存器、cache，这两者在CPU内部，速度快、容量小，操作系统无法直接对其进行管理。
  • 主存（物理内存），速度相对慢，容量大一些；
  • 主存掉电，数据清空。把数据放入**磁盘（虚拟内存）**中存储。速度慢，容量大。
• 速度、容量不可兼得，因此需要操作系统管理。

内存分层体系

• 逻辑地址空间： 连续的；
• 物理空间： 存在隔离，为了保护独立地址空间。
  

图中，主存不够，P4的代码和数据被导到硬盘上去（因为不紧急）。

在操作系统中管理内存的不同方法

• 程序重定位
• 分段
• 分页
• 虚拟内存
• 按需分页虚拟内存

地址空间和地址生成

地址空间定义

• 物理地址空间和硬件直接对应
• 逻辑地址空间是一维线性地址空间：一个运行的程序所拥有的内存范围
• 物理地址和逻辑空间的映射关系需要操作系统管理。

逻辑地址生成

例：c程序通过编译、汇编、链接、载入生成程序在内存中的地址。

• .c file 函数位置、变量名即逻辑地址
• .s file 汇编语言中更加贴近机器语言，但是依然用符号代表变量名字
• .o file 机器语言中，起始地址都是从0开始的
• linker将一个项目中多个.o file变成一个单一的executable file。
• executable file中，不同的.o file程序的地址在单一程序中已经有各自的定义。
• executable file载入内存中，可能会有偏移量，执行。

上述是逻辑地址生成的过程。

物理地址生成

• CPU根据指令，查找逻辑地址的物理地址在什么地方。
• 根据什么查找？MMU将逻辑地址映射到物理地址。

具体步骤：

1. CPU执行某条指令时，算术逻辑单元(arithmetic and logic unit, ALU)发出请求：逻辑地址；

2. CPU中MMU表查找逻辑地址对应的物理地址，如果没有去内存中找；

3. 找到后，CPU控制器给主存发出情况：需要某个物理地址上的内容。

4. 主存把内存的内容通过总线传给CPU，CPU执行。

操作系统起了什么作用？

• 操作系统在四步之前，要把映射建立好；
• 确保访问的地址空间是合法、安全的。

连续内存分配

内存碎片

• 无法进一步利用的空间。
• 外碎片： 分配单元间的碎片；
• 内碎片： 分配单元内没有使用的碎片。

用数据结构算法进行管理。

首次适配算法

需求：

• 按地址排序的空闲块列表
• 分配需要寻找一个合适的分区
• 重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区（若有）

优势：

• 简单
• 易于产生更大的空闲块，向着地址空间的结尾

劣势：

• 外部碎片
• 不确定性

最优适配算法

优势：

• 当大部分分配是小尺寸时非常有效
• 比较简单

劣势：

• 外部碎片
• 重分配慢
• 易产生很多没用的微小碎片

最差适配算法

优势：

分配是中等尺寸效果最好

劣势：

• 重分配慢
• 外部碎片
• 抑郁破碎大的空间块以致大分区无法被分配

总结：应该使用更加有效的算法进行内存分配。

压缩式碎片整理（紧致算法）

看起来很简单，但是重定位的时机、开销都需要考虑。比如运行时无法操作。

交换式碎片整理

利用起硬盘，将等待中的内存放到硬盘上。

问题为：哪些程序进行交换？开销？