作業系統

第三章: 記憶體管理

儲存器的層次結構

CPU暫存器

• 暫存器

主存

• 快取記憶體

• 主儲存器

• 磁碟快取

輔存

• 固定磁碟
• 可移動儲存介質

裝入和連結

• 裝入

• 絕對裝入

  • 目標模組採用絕對地址
    • 邏輯地址和實際地址完全相同
    • 適用於單道環境

• 可重定位裝入

  • 在程式裝入的時候裝入
    • 存在地址變換，但是是直接找的當前合適的記憶體位置
    • 程式需要連續空間
    • 不存在在程式執行的過程中在記憶體移動

• 動態執行時裝入

  • 地址轉換在程式需要真正執行時才進行
    • 可以在記憶體之中移動
    • 可以實現虛擬儲存

• 連結

• 靜態連結

  • 在程式執行之前，將各目標模組以及它們需要的庫函式連結成一個完整的轉入模組

• 裝入時動態連結

  • 在裝入的時候邊裝入邊連結
    • 便於修改和更新
    • 便於實現目標模組的共享

• 執行時動態連結

  • 當程式需要的時候採取連結
    • 節約記憶體空間、加快裝入過程

連續分配方式

• 單一連續分配

• 固定分割槽分配

  • 分割槽使用表

  • 記憶體利用與回收

  • 缺點

    • 規定了分割槽大小，大程式無法裝入
    • 限制了活躍程序的最大數
    • 碎片過多
    • 擴充和貢獻困難

• 動態分割槽分配

  • 演算法

    • 首次適應演算法

• 每一次從頭開始 導致空閒區間分配不均

• 迴圈首次適應演算法
  - 從上次找到的空閒分割槽的下一個空閒分割槽開始查詢

  • 可能會有小的程式佔據大的空閒分割槽，會缺乏大的空閒分割槽

    • 最佳適應演算法

• 以分割槽的容量大小 尋找第一個符合要求的
  - 會導致更多的小空間

    - **最壞適應演算法**
    - 和上面的演算法讓容量遞減
  

  • 會導致大的空閒空間不足

• 管理空閒分割槽

    - 空閒分割槽表
  

  • 空閒分割槽鏈

• 分割槽回收

    - 要回收的分割槽上或下存在空閒分割槽，則合併
  

  • 上下都有是則分割槽數減一，將下面的空閒分割槽從空閒表或連結串列中刪掉

    • 上或者下有（只有一個）則不變

  • 不存在則自己新建為新 空閒分割槽數加一

  • 分割槽分配

    • 存在一個最小不可再分割的大小

  • 沒有程式數目和大小的限制但是會產生過多的碎片

• 動態重定位分配

  • 重定位暫存器
  • 地址變換機構
  • 目標程式

• 夥伴系統

  • 夥伴演算法
  • 記憶體分配
  • 記憶體回收
  • 在程序釋放儲存空間時，尋找夥伴合併，
    可以做到類似遞迴進行，知道找不到可以合併的夥伴為止

• 交換

  • 以程序為單位
  • 以頁或段為單位

基本分頁儲存管理方式

• 儲存空間

  • 主存中為塊
  • 程序的邏輯結構中為頁

• 頁面與頁表

  • 頁表存放

    • 頁表
    • 為記錄頁面在記憶體中對應的物理塊

  • 頁表

  • 邏輯地址構成

    • 頁號

      • 即在第幾頁

    • 頁內位移

      • 即距離頁面裡面第一個地址的距離
      • 總的大小為頁面大小，如1KB的頁面，會有2的10次方的地址

    • 邏輯地址從0開始

• 為解決連續分配方式存在的碎片

• 地址變換機構

  • 分頁邏輯地址

    • 頁號和頁內位移
      二進位制：
      邏輯地址大小2m 頁面大小2n
      則前m-n位表示頁號 後n位表示頁內位移
      十進位制：
      記A為邏輯地址，L為頁面大小，則：
      頁號：P=int(A/L)； 頁內地址：d=A mod L

  • 對映

    • 頁號得到實體地址的基地址

      • 基地址：頁號對應的物理塊號乘以頁面大小即（塊大小）

    • 基地址加上頁內位移即實際實體地址

  • 快表

    • 設定的一個認為常用的頁面集合

      • 因為：訪問頁表要訪問2次以上主存

    • 區域性性原理：所有的儲存單元都趨於聚集在一個較小的連續區域

    • 增設一個具有並行查詢能力的高速緩衝儲存器

    • 儲存頻繁訪問的頁表項

  • 兩級和多級頁表

    • 每多一次頁表會多一次對主存的訪問

    • 將原來一張大的頁表分為多個頁表

    • 將地址組成部分的頁表號分為多個部分

      • 每多一個部分表示多出一個頁表對其進行記錄，
        就相當於形成了多表結構

    • 實現可非連續儲存頁表

    • 級別增多會導致訪問次數的增多

• 資訊共享

• 可重入程式碼

基本分段儲存管理方式

• 邏輯地址結構

• 段表

• 與分頁的區別

• 資訊共享

• 大小

  • 邏輯地址結構

    • 段號

      • 通過段號可以知道最多允許有多少分段

    • 段內地址

      • 可以知道每段的最大長度
      • 不定

段頁式儲存管理方式

• 邏輯地址結構

• 先分段再分段

  • 所以會先訪問段表再訪問頁表
  • 最後訪問資訊

• 段表和頁表

程式區域性性原理

區域性性原理是指CPU訪問儲存器時，無論是存取指令還是存取資料，所訪問的儲存單元都趨於聚集在一個較小的連續區域中。

• 程式執行時，無需全部裝入記憶體，裝載部分即可
• 如果訪問頁不在記憶體，則發出缺頁中斷，發起頁面置換
• 從使用者層面看，程式擁有很大的空間，即是虛擬記憶體

虛擬儲存器

• 原理

  • 概念

    • 在一開始放入部分記憶體就開始執行
    • 請求調入和置換
    • 時間上表現為一個物件會在一個較短時間內執行
    • 空間上表現為當前執行的指令在一個較小的範圍

  • 請求調入

    • 所訪問的資訊不在記憶體的時候

  • 置換

    • 作業系統將記憶體中暫時不使用的內容換出到外存

  • 區域性性原理

    • 概念

      • 區域性性原理是指程式在執行過程中一個較短時間內
        ，程式所執行的指令地址和運算元地址分別侷限於一定區域內

    • 程式中少量分支和過程呼叫大都是順序執行

    • 過程呼叫深度有限，

    • 存在著許多迴圈

    • 陣列等資料結構

    • 體現

      • 時間區域性性
      • 空間區域性性

• 物質基礎

  • 相當數量的外存
  • 一定容量的記憶體
  • 地址變換機構

• 記憶體分配和分配演算法

  • 程序需要的最小物理塊數

    • 執行一條指令所涉及的頁面數確定

    • 單地址指令

      • 直接定址
      • 間接定址
      • 功能較強時

  • 程序的物理塊數是固定還是可變

    • 固定分配區域性置換
    • 可變分配全域性置換
    • 可變分配區域性置換

  • 按什麼原則為程序分配物理塊數

    • 平均分配演算法
    • 按比例分配演算法
    • 按優先順序分配演算法
    • 實現方案

  • 區域性範圍內

    • 頁面置換演算法

      • 最佳置換演算法

        • 將來最長時間不會使用

        • 僅具有理論意義

    • 先進先出演算法

        - 選擇調入主存時間最長的頁面予以淘汰
      

    • 最近最久未使用置換演算法

      • 選擇最近一段時間內最長時間沒有被訪問過的頁面予以淘汰

        • 實現

        • 基於暫存器的方法

          • 配置一個n位暫存器，在程序訪問頁面的時候最左置1
            • 每過一段時間則計數器右移1位
          • 最小數值的暫存器即最近最久未使用的頁面

        • 基於棧的方法

            - 棧頂存放最近使用過的頁面
          

      • 時鐘置換演算法

      • 將頁面設定成迴圈佇列

        • 首次調入記憶體，置訪問位置1
        • 被訪問置訪問位置1

      • 缺頁中斷的時候

        • 訪問為0則淘汰

          • 不為0則置為0
          • 接上次判定介面位置

        • 改進：訪問位和修改位分開考慮

        • 有四種情況

          • 先尋找訪問位和修改位都為0的頁面淘汰
          • 沒有則再尋找訪問頁為0，修改位為1的淘汰，並將訪問位設定為0
          • 沒有重複一操作

      • 其他置換演算法

• 效能分析

  • 有效訪問時間

    • 訪問儲存器所需時間的平均值
    • 在快表中，則需要訪問一次主存

  • 不在記憶體，則要缺頁中斷時間

    • 缺頁中斷時間

      • 缺頁中斷時間
      • 介面傳送時間
      • 程序重新執行時間
      • 僅考慮頁面傳送時間

    • 影響缺頁率的因素

      • 分配給程序的物理塊數
      • 頁面本身大小
      • 程式編制方法
      • 頁面置換演算法

  • 抖動現象

    - 全域性抖動
    - 區域性抖動
    

    • 產生原因

        - 程序分配物理塊太少
        - 置換演算法選擇不當
      

      • 全域性置換使抖動傳播

    • 預防與解除

        - 採用區域性置換策略
        - 增加分配給相應程序的物理塊
      

      • 掛起程序

  • 頁面大小的選擇

    - 有個最佳介面大小可以選擇
    - 每個頁表項需e個位元組
    - 記憶體大小為m
    - 程序的平均長度為s
    - 計算開銷  碎片項和頁表項的總和（pm/2s + me/p）求最小值
    - p=2es的算術平方根
    

• 實現方法

  • 請求分頁儲存管理方式

    • 調頁策略

      • 何時

        • 預調頁策略
        • 請求調頁策略

      • 何處

        • 檔案區

          • 存放檔案
          • 離散分配

        • 對換區

          • 存放對換頁面
          • 連續分配
          • 磁碟I/O較高

      • 情況

        • 對換區空間足夠

        • 對換區空間不夠

          • 將程序中可能被修改的調入對換區

        • UNIX方式

          • 全部存放在檔案區
          • 執行過調出的放於對換區
          • 存在頁面共享

    • 支援機構

      • 頁表

        • 擴充的頁表

      • 缺頁中斷機構

        • 缺頁中斷
        • 中斷過程

      • 地址變換機構

        • 類似於分頁儲存管理
        • 進行缺頁中斷處理

  • 請求分段儲存管理方式

    • 請求調段

    • 分段置換

    • 支援結構

      • 段表

      • 缺段中斷機構

        • 類似缺頁中斷

        • 記憶體管理

        • 段的置換

          • 有空間則直接調入
          • 沒有就檢查空閒區之後是否滿足
          • 再不符合則淘汰若干段

      • 地址變換機構

        • 動態地址變換

    • 分段共享

      • 實現

        • 為了實現分段共享，可在系統中設定一張共享段表，所有共享分段都在其中佔有一表項
        • 增加共享程序計數
        • 存取控制欄位
        • 共享段在不同程序中有不同的段號

    • 分配

      • 對於第一個請求使用該段的程序，系統為該共享段分配一個記憶體區，在將共享段調入
      • 同時將該區的始地址填入請求程序的段表
      • 在共享段表中增加一項，填寫有關資料將count置1
      • 填入相關的資料結構

    • 回收

      • 釋放該程序段，將count減一
      • 如果變為0則需要系統回收共享段的實體記憶體及有關表項

  • 分段保護

    • 越界保護

        - 用段表長度與邏輯地址中的段號比較
      

      • 段長與邏輯地址中的段內位移比較

    • 存取方式檢查

      • 本段的訪問方式

    • 環保護結構

        - 低編號環具有高優先權
      

      • 原則

          - 一個程式可以訪問在相同的環或者較低環中的資料
          - 一個程式可以呼叫駐留在相同環或較高環中的服務
        

• 特徵

  • 多次性
  • 對換性
  • 虛擬性