OS- -请求分页系统、请求分段系统和请求段页式系统(一)

• 进程应该放在内存的哪里?

• 操作系统如何记录哪些内存区域已经被分配了, 哪些还空闲?

• 当进程运行结束之后, 如何将进程占用的内存空间释放?

一、内存管理的概念

• 操作系统负责内存空间的分配与回收
• 操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
• 操作系统需要实现地址转换功能, 负责程序的逻辑地址和物理地址的转换
• 操作系统需要提供内存保护功能, 保证各进程在各自存储空间内运行, 互不干扰

实现内存保护的两种方法:

• 在CPU设置一对上, 下限寄存器, 存放进程的上, 下限地址. 进程的指令要访问某个地址时, CPU检查是否越界
• 采用重定位寄存器(又叫基地址寄存器) 和界地址寄存器(又叫限长寄存器) 进行越界检查. 重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址, 界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址.

二、内存空间的扩充

覆盖与交换

• 覆盖, 交换, 虚拟存储技术常用于实现内存空间的扩充

????覆盖技术的思想 : 将程序分为多个段, 常用的段常驻内存, 不常用的段在需要的时候调入内存

• 内存中分为一个"固定区" 和若干个"覆盖区", 常用的段放在固定区, 不常用的段放在覆盖区

• 缺点 : 必须由程序员声明覆盖结构, 对用户不透明, 增加了用户的编程负担, 覆盖技术只用于早期的操作系统中.
  

• ????交换技术的思想 : 内存空间紧张时, 系统将内存中某些进程暂时换出外存, 把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存(即进程在内存与磁盘间动态调度)

三、内存空间的分配和回收

连续分配管理方式

• 单一连续分配

• 在单一连续分配的方式中, 内存被分为系统区和用户区, 系统区用于存放操作系统的相关数据, 用户区用于存放用户进程的相关数据,内存中只能有一道用户程序, 用户程序独占整个用户区空间.

• 优点 : 实现简单, 无外部碎片; 可以采用覆盖技术扩充内存; 不一定需要采取内存保护

• 缺点 : 只能用于单用户, 单任务的操作系统中; 有内部碎片; 存储器利用率极低

• 内部碎片 : 分配给某进程的内存区域有一部分没有用上, 即存在" 内部碎片 ".

• 外部碎片 : 内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用

• 固定分区分配

• 在产生了支持多道程序的系统后, 为了能在内存中装入多道程序而互相之间不产生干扰,将整个用户区划分为若干个固定大小的分区(分区大小可以相等也可以不相等),在每个分区中只能装入一道作业,形成了最早的可运行多道程序的内存管理方式.
  

• 操作系统建立一个数据结构----分区说明表, 来实现各个分区的分配和回收, 每个表对应一个分区, 通常按分区大小排列. 每个表项包括对应分区的大小, 起始地址, 状态

• 优点 : 实现简单, 无外部碎片;

• 缺点 : 有内部碎片; 存储器利用率不高;

• 动态分区分配

• 动态分区分配又称为可变分区分配, 这种分配方式不会预先划分内存分区. 而是在进程装入内存时根据进程大小动态地建立分区, 并使得分区的大小正好适合进程的需要.

几个问题 :

• 系统用什么数据结构记录内存的使用情况?
• 当多个空闲分区都满足需求应该选择哪个分区进行分配?
• 如何进行分区的分配和回收操作?

四种动态分配的算法：

1. 首次适应算法：每次都从低地址开始查找, 找到第一个能满足大小的空闲分区

• 实现 : 把空闲分区按地址递增的次序排列.

• 每次分配内存时顺序地查找空闲分区链, 找到大小能满足要求的第一个空闲分区.

2. 最佳适应算法 ：优先使用小的空闲分区

• 实现 : 空闲分区按容量递增次序链接.

• 每次分配内存时顺序查找空闲分区链, 找到大小能满足要求的第一个空闲分区

• 缺点 : 每次都选择最小的分区进行分配, 会留下越来越多的容量很小难以利用的内存块, 即产生很多的外部碎片

3. 最坏适应算法 ：优先使用大的空闲分区

• 实现 : 空闲分区按容量递减次序链接

• 缺点 : 每次都选用最大的分区进行分配, 当较大的连续空闲区被小号之后, 如果有大进程到来则没有内存分区可以利用

4. 邻近适应算法 ：在首次适应算法的基础上, 每次都从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链(表), 找到大小能满足的第一个空闲分区

• 缺点 : 邻近适应算法导致无论低地址还是高地址的空闲分区都有相同的概率被使用, 也就导致了高地址部分的大分区更可能被使用划分为小分区, 最后导致没有大分区可用

非连续分配管理方式

• 基本分页存储管理
• 基本分段存储管理
• 段页存储管理

四、基本分页存储管理

1.页框和页面

• 思想 : 把内存分为一个个相等的小分区, 再按照分区大小把进程拆分成一个个小部分.
  
• 注意区分页框和页面的概念, 页框是针对内存的, 页面是针对进程的

2.地址转换的实现

• 特点 : 页面离散存放, 但是页面内部连续存放
• 访问逻辑地址A :

• 确定逻辑地址A的 " 页号 " P
• 找到P号页面在内存中的起始地址 ( 需要查找页表 )
• 确定逻辑地址A的 " 页内偏移 " W
• 逻辑地址 Ａ的物理地址 = P号页面在内存中的起始地址 + 页内偏移量W

页号和页内偏移量

• 为了方便计算页号和页内偏移量, 页面大小一般设置为2的整数幂?？？？

• 厉害了我的哥
  

页表

• tips : 页表中的页号是"隐含"的, 可以不占用存储空间

e.g:

• 假设某系统物理内存大小为 4GB， 页面大小为 4KB， 则 每个页表项至少应该为多少字节？

• 内存块大小=页面大小=4KB= 212B

• 4GB 的内存总共会被分为232212=220个内存块

• 内存块号的范围应该是 0 ~ 220−1

• 内存块号至少要用 20 bit 来表示

• 至少要用3B来表示块号(3*8=24bit)

(但是, 为了方便页表的查询, 常常会让一个页表项占更多的字节, 使得每个页面恰好可以装得下整数个页表项)

• 如何理解 “页号是隐含的” :
  

基本地址变换机构

• 步骤总结 :

• 根据逻辑地址计算出页号和页内偏移量

• 判断页号是否越界

• 查询页表, 找到页号对应的页表项, 确定页面存放的内存块号

• 用内存块号和页内偏移量得到物理地址 ( 页表长度*物理块号 + 页内偏移 = 物理地址 ( 计算机直接采用拼接物理块号和页内偏移的方式得到物理地址 ) )

• 访问目标单元

????( 一共需要访问两次内存 : 第一次用来查页表, 第二次用于访问目标内存单元 )

具有快表的地址变换机构

• 局部性原理

• 时间局部性

• 如果执行了程序中的某条指令, 那么不久之后这条指令很有可能再次执行; 如果某个数据被访问过, 不久之后该数据很可能再次被访问

• ( 程序中存在大量的循环 )

• 空间局部性

• 一旦程序访问了某个存储单元, 在不久之后, 其附近的存储单元也很有可能被访问到

( 很多数据在内存中连续存放 )

• 快表(TLB)
• 快表又成为联想寄存器(TLB), 是一种访问速度比内存快很多的高速缓冲存储器, 用来存放当前访问的若干页表项, 以加速地址变换的过程. 与此对应的, 内存中的页表常称为慢表.
  
  
• 步骤总结 :
  
• 快表与基本地址变换机构的比较 :
  

tips : TLB 和 普通 Cache 的区别——TLB 中只有页表项的副本， 而普通 Cache 中可能会有其他各种数据的副本

两级页表

• 单级页表存在的问题 :

1.由于页号隐式表示, 所以要根据页号查询页表需要 :

• K 号页对应的页表项存放位置 = 页表始址 + K * 4
• 要在所有的页表项都连续存放的基础上才能用这种方法找到页表项

2.同时, 由局部性原理可知, 很多时候, 进程在一段时间内只需要访问某几个页面就可以正常运行了, 因此没有必要让整个页表都常驻内存

• 解决 : 把页表再分页并离散存储， 然后再建立一张页表记录页表各个部分的存放位置， 称为页目录表， 或称外层页表， 或称顶层页表.

• 关于页表常驻内存的解决 – ( 虚拟存储技术 ) , 在页表项中增加一个标志位, 用于表示该页面是否已经调入内存
  

• 注意:

• 如果采用多级页表机制, 各级页表不能超过一个页面

• 两级页表的访存次数分析 :

• n级页表访存次数为n+1次: ( 以2级页表为例 )

• 访问内存中的页目录表 ( 顶级页表 )

• 访问内存中的二级页表 访问目标内存单元