第4章 儲存器管理

1 程式的裝入和連結
2 連續分配儲存管理方式
3 分頁儲存管理方式
4 分段儲存管理方式
5 虛擬儲存器、請求分頁/分段、頁面置換演算法

2、連續分配方式
為一個使用者程式分配一個連續的記憶體空間
20世紀六、七十年代的OS中，分類：
單一連續分配
固定分割槽分配
動態分割槽分配
動態重定位分割槽分配
其他
（1）單一連續分配
記憶體分為系統區和使用者區兩部分：
系統區：僅提供給OS使用，通常放在記憶體低址部分
使用者區：除系統區以外的全部記憶體空間，提供給使用者使用。
最簡單的一種儲存管理方式，只能用於單使用者、單任務的作業系統中。
優點：易於管理。
缺點：對要求記憶體空間少的程式，造成記憶體浪費；程式全部裝入，很少使用的程式部分也佔用記憶體。

（2）固定分割槽分配
把記憶體分為一些大小相等或不等的分割槽(partition)，每個應用程序佔用一個分割槽。作業系統佔用其中一個分割槽。
提高：支援多個程式併發執行，適用於多道程式系統和分時系統。最早的多道程式儲存管理方式。
劃分為幾個分割槽，便只允許幾道作業併發

具體實現：
1）如何劃分分割槽大小
2）需要的資料結構
3）分配回收操作

1）如何劃分分割槽大小：
分割槽大小相等：只適合於多個相同程式的併發執行（處理多個型別相同的物件）。缺乏靈活性。
分割槽大小不等：多個小分割槽、適量的中等分割槽、少量的大分割槽。根據程式的大小，分配當前空閒的、適當大小的分割槽。
2）需要的資料結構
建立一記錄相關資訊的分割槽表（或分割槽連結串列），表項有:
| 起始位置 | 大小 | 狀態 |
分割槽表中，表項值隨著記憶體的分配和釋放而動態改變

3）程式分配記憶體的過程：
也可將分割槽表分為兩個表格：空閒分割槽表/佔用分割槽表。從而減小每個表格長度。
檢索演算法：空閒分割槽表可能按不同分配演算法採用不同方式對錶項排序(將分割槽按大小排隊或按分割槽地址高低排序)。
過程：檢索空閒分割槽表；找出一個滿足要求且尚未分配的分割槽，分配給請求程式；若未找到大小足夠的分割槽，則拒絕為該使用者程式分配記憶體。
固定分配的不足：
內碎片（一個分割槽內的剩餘空間）造成浪費
分割槽總數固定，限制併發執行的程式數目。

（3）動態分割槽分配
分割槽的大小不固定：在裝入程式時根據程序實際需要，動態分配記憶體空間，即——需要多少劃分多少。
空閒分割槽表項：從1項到n項：
記憶體會從初始的一個大分割槽不斷被劃分、回收從而形成記憶體中的多個分割槽。

動態分割槽分配
優點：併發程序數沒有固定數的限制，不產生內碎片。
缺點：有外碎片（分割槽間無法利用的空間）
具體實現:
1）分割槽分配中的資料結構
2）分割槽分配演算法
3）分割槽分配操作

1）資料結構
1.空閒分割槽表：
記錄每個空閒分割槽的情況。
每個空閒分割槽對應一個表目，包括分割槽序號、分割槽始址及分割槽的大小等資料項。
2.空閒分割槽鏈：
每個分割槽的起始部分，設定用於控制分割槽分配的資訊，及用於連結各分割槽的前向指標；
分割槽尾部則設定一後向指標，在分割槽末尾重複設定狀態位和分割槽大小表目方便檢索。

2）分割槽分配演算法
動態分割槽方式，分割槽多、大小差異各不相同，此時把一個新作業裝入記憶體，更需選擇一個合適的分配演算法，從空閒分割槽表/鏈中選出一合適分割槽
首次適應演算法FF
迴圈首次適應演算法
最佳適應演算法
最差適應演算法
快速適應演算法

①首次適應演算法FF(first-fit)
空閒分割槽排序：以地址遞增的次序連結。
檢索：分配記憶體時，從鏈首開始順序查詢直至找到一個大小能滿足要求的空閒分割槽；
分配：從該分割槽中劃出一塊作業要求大小的記憶體空間分配給請求者，餘下的空閒分割槽大小改變仍留在空閒鏈中。
若從頭到尾檢索不到滿足要求的分割槽則分配失敗
優點：優先利用記憶體低址部分，保留了高地址部分的大空閒區；
缺點：但低址部分不斷劃分，會產生較多小碎片；而且每次查詢從低址部分開始，會逐漸增加查詢開銷。

②迴圈首次適應演算法 (next-fit)
空閒分割槽排序：按地址
檢索：從上次找到的空閒分割槽的下一個空閒分割槽開始查詢，直到找到一個能滿足要求的空閒分割槽。為實現演算法，需要：
設定一個起始查尋指標
採用迴圈查詢方式
分配：分出需要的大小
優點：空閒分割槽分佈均勻，減少查詢開銷
缺點：缺乏大的空閒分割槽

③最佳適應演算法 (best-fit)
總是把能滿足要求、又是最小的空閒分割槽分配給作業，避免“大材小用”。
空閒分割槽排序：所有空閒分割槽按容量從小到大排序成空閒分割槽表或鏈。
檢索：從表或鏈的頭開始，找到的第一個滿足的就分配
分配：分出需要的大小
缺點：每次找到最合適大小的分割槽割下的空閒區也總是最小，會產生許多難以利用的小空閒區（外碎片）

④最差適應演算法/最壞匹配法(worst-fit)：基本不留下小空閒分割槽，但會出現缺乏較大的空閒分割槽的情況。
⑤快速適應演算法
根據程序常用空間大小進行劃分，相同大小的串成一個鏈，需管理多個各種不同大小的分割槽的連結串列。程序需要時，從最接近大小需求的鏈中摘一個分割槽。類似的：夥伴演算法
能快速找到合適分割槽，但連結串列資訊會很多；實際上是空間換時間。

3）分割槽分配操作
分配記憶體
找到滿足需要的合適分割槽，劃出程序需要的空間
if s<=size，將整個分割槽分配給請求者
if s> size，按請求的大小劃出一塊記憶體空間分配出去，餘下部分留在空閒鏈中，將分配區首址返回給呼叫者。
回收記憶體
程序執行完畢釋放記憶體時，系統根據回收區首址a，在空閒分割槽鏈(表)中找到相應插入點，根據情況修改空閒分割槽資訊，可能會進行空閒分割槽的合併：
Ps:
空閒分割槽的大小m.size，
使用者需要的大小u.size
s=m.size- u.size
size為系統規定不再切割的分割槽大小

回收分割槽
(1)回收區（首址a）與一個分割槽f1末尾（首址b+大小）鄰接：將回收區與f1合併，修改f1的表項的分割槽大小
(2)回收區（首址a+大小）與一個分割槽f2的首址b鄰接：將回收區與f2合併，修改f2的表項的首址、分割槽大小
(3) （1）（2）兩種情況都有，則將回收區與前後兩個分割槽F1、F2鄰接：將三個分割槽合併，使用F1的表項和F1的首址，取消F2的表項，大小為三者之和
(4) 回收區沒有鄰接的分割槽：為回收區單獨建立新表項，填寫回收區的首址與大小，根據其首址插到空閒鏈中的適當位置

（4）動態重定位分割槽分配
——有緊湊功能的動態分割槽分配
使用者程式在記憶體中移動，將空閒空間緊湊起來提高空間利用率。但必然需要地址變化，增加“重定位”工作。

 地址變換過程是在程式執行過程期間（相對地址與重定位暫存器中的地址相加），隨著對每條指令的訪問自動進行，稱為動態重定位。
 動態重定位分割槽分配演算法與動態分割槽分配演算法基本相同，差別在於增加了緊湊的功能。
夥伴系統
分割槽大小有規定，且分割槽動態變化
1無論已分配還是空閒分割槽，大小都為2的k此冪。若整個可分配空間大小為2m，則1≤k≤m.
2隨著系統執行，記憶體被不斷劃分，形成若干不連續的空閒分割槽。對每一類具有相同大小的空閒分割槽設定一雙向連結串列，即會有k個連結串列，連結串列中的分割槽大小都是2m。
3程序申請n個大小的空間時，計算n= 2i。則找i對應的連結串列。若i大小的連結串列沒有，則找i+1的連結串列。找到的分割槽對半劃分後，一半用於分配，一半連結到較小一級的連結串列裡去。
4一次分配和回收都可能對應多次的劃分和合並。

（5）記憶體空間管理之對換
當記憶體空間還是滿足不了需求時，引入“對換”思想：
把記憶體中暫時不能執行、或暫時不用的程式和資料調到外存上，以騰出足夠的記憶體；把已具備執行條件的程序和程序所需要的程式和資料，調入記憶體。
按對換單位分類：
整體對換(或程序對換)：以整個程序為單位（連續分配）
頁面對換或分段對換：以頁或段為單位（離散分配）

實現程序對換，系統必須具備的功能：
對換空間的管理
程序的換出、換入操作

對換空間的管理
外存上 儲存內容 駐留時間 主要目標 分配方式
檔案區 檔案 較長久
不頻繁 提高檔案儲存空間的利用率 離散
對換區 從記憶體換出的程序 短暫
頻繁 提高程序換入和換出的速度 連續