作業系統之儲存管理
今天我們來看一下作業系統的儲存管理。
目的
儲存器是計算機結構中必不可少的一部分,每個使用者程式都需要向作業系統申請儲存資源,那麼作業系統在儲存管理髮揮怎樣的作用呢?
主要有一下三點:
1、為使用者使用儲存空間提供方便。使用者只需要在自己的邏輯空間內程式設計,使用者只需要跟作業系統說我要用這麼大的記憶體空間,你分給我。至於我分到哪裡(具體在記憶體中的實體地址),別人分到哪裡,我不用管。
2、充分發揮記憶體的利用率。 作業系統的作用是讓儘可能多的使用者程式調入記憶體、儘量快地分配到記憶體並執行。
3、記憶體保護。 作業系統必須有一個機制,記錄哪些空間用了,哪些空間沒有用。必須保護記憶體不被非法訪問。分給使用者的空間不會被其他使用者(包括系統自己)非法訪問。
記憶體分配
連續分配至為一個使用者程式分配一個或多個連續記憶體空間。
主要的分配方式有下面幾種:
- 單一連續分配
這種分配方式的運用場景是:一個使用者獨佔連續的記憶體使用者去,只能用於單使用者、單任務的作業系統中。
這時的記憶體區包含系統區和使用者區,可以要求對系統區進行保護(給一個基址,只能使用基址後面的記憶體空間,0到基址範圍都歸系統),也可不對系統進行保護。 - 固定分割槽分配
固定分割槽的意思是將一整個大的記憶體區域分成多塊,每塊只能給一個使用者程式。使用場景適合多使用者、多工的環境。
分割槽方法大小劃分包括:
分割槽大小一定:
雖然這種分配方法簡單,但是有可能會出現大程式裝不下,小程式浪費的尷尬場面。
分割槽大小不等:
根據使用者程式所申請記憶體空間大小的分佈,可以將記憶體區分成多個較小的分割槽,適量的中等分割槽,少量的大分割槽。
雖然這種方法較好處理了分割槽大小相等的尷尬場景。但是這種方法有一個問題就是不知道分割槽的大小如何設定比較好,每個大小分割槽的比例是多少也不清楚。可能會導致特別大的程式可能還是裝不進記憶體區。
固定分割槽的分配有兩種演算法:
1、首次適應演算法(FF):按序選擇第一個滿足要求的記憶體區。
2、最佳適應演算法(BF):找一個與程式大小最匹配的空閒分割槽分配給使用者。這樣做的好處可以提供記憶體空間的利用率,不會出現小程式佔有大空間的情況,比較好。 - 動態分割槽分配
那就把分割槽的大小不固定吧,於是就來個動態分割槽分配。
作業系統根據使用者程式的大小,動態地分配連續的記憶體空間,當沒有使用者程式執行時,記憶體只有一個連續分割槽。當用戶程式要求分配記憶體時,依次分配與使用者程式大小相等的記憶體,剩下的是空閒區。當用戶程式執行完成,回收記憶體,留給其他使用者程式使用。
要實現動態分割槽分配,必須考慮一下三個問題:
1、我用什麼資料結構來記錄空閒區的地址與大小;
陣列、連結串列、紅黑樹都可以。
2、怎麼分給使用者程式;
(1)首次適應演算法(FF):從空閒分割槽表首開始查詢,找到第一個合適的分割槽即分配。
該演算法傾向於使用記憶體中低地址的空閒分割槽,保留了高地址部分的空間,為以後分配大的記憶體空間創造了條件。但是低地址部分的記憶體空間不斷被切割,留下許多小碎片(比較小的空閒區),提高了分配時查詢空閒分割槽的開銷。
(2)迴圈首次適應演算法:它跟首次適應演算法的區別在於它不是從表首開始查詢,而是從上次找到的空閒分割槽開始查詢,直到找到一個能滿足需求的空閒分割槽。這樣做使得空閒分割槽的分佈比較均勻,但是缺乏大的空閒分割槽。
(3)最佳適應演算法:該演算法尋找最合適的分割槽給使用者程式。為了快速查詢,一般會使用紅黑樹來按分割槽大小排序。這種演算法空間利用率比較高,但同樣會產生小碎片,而且每次分配必須重新排序,帶來一定的開銷。
(4)最差適應演算法:與最佳適應演算法相反,最差適應演算法將最大的空閒分割槽分配給使用者程式,這樣會產生比較少的小碎片,但是大的空閒分割槽就被破壞了,維護順序也帶來開銷。
3、使用者程式使用完後,怎麼回收。
其實回收也挺簡單,主要參照下面的策略:
如果回收區前面的分割槽空閒,就合併這兩個分割槽,大小改成它們的大小之和;
如果回收區後面的分割槽空閒,同樣合併這兩個分割槽,大小為它們之和,將起始地址改成回收區的地址。
如果回收區前後的分割槽都空閒,那麼將他們合併成一塊,總的塊數減一,大小為三者之和。
如果不是上面的情況,就新建一個表項,在合適的位置插入到空閒分割槽(鏈)表。 - 動態重定位分割槽分配
該分配演算法基本上與動態分割槽分配演算法相同,差別在於動態重定位分割槽分配多了一個緊湊的功能。
緊湊:對記憶體中正在使用的分割槽進行搬遷,使得多個小的空閒分割槽(小碎片)合併為一個大的空閒分割槽。
要實現緊湊功能,由於分給使用者程式的實體地址已經被修改,所以需要一個重定位暫存器,來儲存程序的首地址。那麼使用者程式在訪問記憶體空間的時候,用的是相對地址,這時硬體會將相對地址加上重定位暫存器的值變成實際的實體地址。
地址對映
記憶體保護
記憶體擴充
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