本章目標：

1、詳細討論記憶體硬體的組織方法;

2、討論各種記憶體管理技術，如分段、分頁;

8.1 背景介紹

快取記憶體： 由於CPU對暫存器的訪問速率快於對記憶體的訪問速率，導致在實際執行中，沒有資料完成正在進行的操作，CPU通常需要暫停（stall）， 由於記憶體的頻繁訪問，這種暫停是難以接受的，所以增加快取記憶體，用於協調速度的差異。

程式空間： 要確保每個程序都有獨立的記憶體空間，因此需要確定程序可訪問的合法記憶體訪問，這裡使用兩個暫存器來實現著這種保護：基地址暫存器（最小的合法實體記憶體地址）、界限地址暫存器（地址範圍）。

地址繫結：  編譯器通常需要將源程式中的地址繫結到可重定位的地址， 連結程式或載入程式再將這些可重定位的地址繫結成絕對地址，每次繫結都是從一個地址空間到另一個地址空間的對映。

通常，將指令和資料繫結到記憶體地址有以下幾種情況：

編譯時繫結：事先知道程式在記憶體空間的位置，就可以在編譯時生成絕對程式碼，從該位置開始並向後擴充套件，如果後來開始地址發生變化，那麼就必須重新編譯程式碼。不同的人安排程式的位置可能衝突。

載入時繫結：如果在編譯時不知道程式在記憶體空間的位置，那麼編譯時必須生成可重定位程式碼（可以使地址平移的程式碼稱為可重定位程式碼，它通過載入過程中系統給定的實體地址，生成程式的實體地址），延遲到載入時繫結程式，稱為靜態地址重定位。

執行時繫結：如果程序在執行時可以從一個記憶體段轉移到另一個記憶體段，那麼繫結要延遲到執行時才進行，在每次CPU訪問記憶體時，進行地址的轉換，需要藉助某種物理裝置，稱為動態地址重定位。

靜態地址重定位：不需要硬體支援，不能移動程式碼，不能處理非連續程式碼；

動態地址重定位：需要重定位暫存器，重定位暫存器使用如下：

邏輯地址：CPU所產生的地址；

實體地址：記憶體單元使用的地址；

8.2 交換

交換（swap）： 程序暫時從記憶體中交換到備份儲存上，當需要再次執行時調回記憶體； 這種交換策略被用於基於優先順序的排程演算法，如果有一個更高優先順序的程序需要服務，記憶體管理器可以交換出低優先順序的程序，以便於執行更高優先順序的程序，當高優先順序程序執行完畢後，低優先順序程序可以交換回記憶體以便繼續執行；

這種交換有時被稱為滾出（roll out），滾入（roll in）；

通常，若程式使用編譯時繫結或載入時繫結，那麼交換後必須返回原來的地址空間； 若程式使用執行時繫結，則交換後可以移到不同的空間；

交換需要備份儲存，備份儲存通常使用快速磁碟，必須足夠大以便容納所有使用者的記憶體映象副本，也必須提供對這些記憶體映象的直接訪問； 假設使用者程序的大小為10MB，備份儲存是傳輸速度為40MBps，那麼10MB程序傳入或傳出的速度為250ms，假定平均定址時間是8ms，那麼交換時間為258ms，由於涉及換入和換出，總的交換時間為516ms；

8.3 連續記憶體分配

記憶體對映與保護：採用重定位暫存器和界限地址暫存器，進行保護；重地址暫存器含有最小的實體地址值，界限地址暫存器含有邏輯地址的範圍值；  進行對映時，記憶體管理單元要求邏輯地址必須小於界限地址暫存器的值，並把邏輯地址與重地址暫存器的值相加，映射出實體地址的值；

多分割槽方法： 最簡單的記憶體分配方法是將記憶體分為多個固定大小的分割槽（partition），每個分割槽容納一個程序，多道程式的程度也會受到分割槽數的限制，當一個分割槽空閒時，就從輸入佇列中選擇一個程序調入空閒分割槽。

動態儲存分配的常用方法：

首次適應（first-fit）：分配第一個足夠大的記憶體塊給程序使用，一旦找到足夠大的記憶體塊，就立即停止掃描；

最佳適應（best-fit）： 分配最小的足夠大的記憶體塊，除非列表按大小排列，那麼要求必須掃描整個列表；

最差適應（worst-fit）： 分配最大的記憶體塊，除非列表按大小排列，那麼要求必須掃描整個列表；

比較這三種方法，空間利用率方面：首次適應和最佳適應均好於最差適應； 執行時間方面：首次適應優於最佳適應優於最差適應， 但是，首次適應和最佳適應都會產生外部碎片問題；

外部碎片：還沒有分配出去，但是由於太小而無法使用的記憶體；

內部碎片：已經分配給程序，但是無法使用的記憶體；

在首次適應和最佳適應的執行過程中，隨著程序的不斷裝入和移出，就會出現外部碎片問題；

緊縮（compaction）：緊縮是一種解決外部碎片的問題，通過移動記憶體內容，使得所有空閒的記憶體空間整合到一起； 緊縮僅在繫結方式為執行時繫結才可以執行；若使用編譯時繫結和裝入時繫結，那麼就不能對程序進行移動； 最簡單的緊縮方法是將所有的程序移到記憶體的一端，而將所有空閒記憶體塊移到記憶體的另一端，這種方案開銷較大；

另一種解決外部碎片的方法是允許實體地址空間非連續，使用分頁、分段技術；

8.4 分頁

實現分頁的基本方法： 將實體記憶體分為固定大小的塊，稱為幀（frame），將邏輯記憶體分為同樣大小的塊，稱為頁（page），當需要執行程序時，將程序頁從備份儲存調入到可用的記憶體幀中； 幀的大小和頁的大小相同；

地址生成： CPU產生的每個地址分為兩個部分：頁號（p），頁偏移（d）， 頁號作為頁表中的索引，從頁表中提取出每頁所在實體地址的基地址，這個基地址和之前的頁偏移組合，形成實體地址；  頁的大小通常為2的冪，由頁的偏移量決定，分頁操作如下：

分頁也是一種動態重定位，每個邏輯地址由分頁硬體繫結為一定的實體地址； 採用分頁技術不會產生外部碎片，每個幀都可以分配給需要它的程序，但會產生內部碎片：分配是以幀為單位進行的，如果程序所要求的記憶體並不是幀的整數倍，那麼最後一個幀可能用不完，這就會產生內部碎片；

當程序需要執行時，首先檢測該程序的大小，程序的每頁都需要一幀，如果程序需要n頁，那麼記憶體中應該有n個幀，如果有，就可以分配給新程序；

幀表： 作業系統在管理實體記憶體的過程中，需要知道哪些幀已被佔用，哪些幀可用，總共有多少幀，等等； 這些資訊被儲存在被稱為幀表的資料結構中；

保護： 在分頁環境下，記憶體保護是通過與每一幀相關聯的保護位來實現的，這些保護位存在於頁表中，可以用一個位來定義一個頁是可讀還是可寫；用另一個位作為有效-無效位，當該位有效，表示相關的頁在程序的邏輯地址空間內，無效，則表示不在邏輯地址空間內；

共享：分頁的優點在於可以共享公共程式碼，實現方式是在每個程序的頁表中新增共享的資料頁，如圖，程序P1,P2,P3共享了ed1，ed2，ed3；

頁表的常用技術： 層次頁表、雜湊頁表、反向頁表；

層次頁表：現代計算機系統支援很大的邏輯地址空間，導致頁表本身可以非常大，顯然不利於在記憶體中連續分配一個大的頁表，一個簡單的方法是將頁表劃分為更小的部分； 一種方法是兩級分頁演算法:

雜湊頁表： 處理超過32位地址空間的常用方法是使用雜湊頁表，以虛擬頁碼作為雜湊值，然後對域內元素進行匹配，得到相應的幀號，形成實體地址:

反向頁表:

8.5 分段

分段是支援使用者視角的記憶體管理方案，類似於在寫程式時，人們會認為程式是由主程式加上方法、過程、函式所構成，分段把邏輯地址空間視作一組段構成的，每個段都有名稱和長度，使用者通過段名稱和段內偏移指定地址（在分頁中，使用者只提供一個地址，該地址通過硬體被劃分為頁碼和偏移量）；

例如，C編譯器可能建立如下段：

    1、程式碼

    2、全域性變數

    3、堆

    4、每個執行緒的棧

    5、標準的C庫函式

段表： 用於將二維的使用者定義地址對映為一維實體地址，段表的每個條目都有段基地址和段界限，段基地址存放該段在記憶體的開始實體地址，而段界限存放該段的長度，段表的硬體實現如下：

分段例項：

以段0為例，段基地址和段界限表示它的起始地址是1400，範圍是1000，所以實際的實體記憶體範圍是1400-2400；