寫在前面

這一篇部落格與前一篇部落格內容連續，這一篇部落格主要討論可重定位分割槽分配與程序對換的相關知識，也是以理解概念為主要任務。多看幾遍，就能搞懂。

動態重定位的引入

在連續分配方式中，必須把一個系統或使用者程式裝入一連續的記憶體空間。如果在系統中只有若干個小的分割槽，即使它們容量的總和大於要裝入的程式，但由於這些分割槽不相鄰接，也無法把該程式裝入記憶體。

圖1. 緊湊的示意

若想把作業裝入，可採用的一種方法是：將記憶體中的所有作業進行移動，使它們全都相鄰接，這樣，即可把原來分散的多個小分割槽拼接成一個大分割槽，這時就可把作業裝入該區。這種通過移動記憶體中作業的位置，以把原來多個分散的小分割槽拼接成一個大分割槽的方法，稱為“拼接”或“緊湊”，見上圖1。由於經過緊湊後的某些使用者程式在記憶體中的位置發生了變化，此時若不對程式和資料的地址加以修改(變換)，則程式必將無法執行。為此，在每次“緊湊”後，都必須對移動了的程式或資料進行重定位。

動態重定位的實現

在動態執行時裝入的方式中，作業裝入記憶體後的所有地址都仍然是相對地址，將相對地址轉換為實體地址的工作，被推遲到程式指令要真正執行時進行。為使地址的轉換不會影響到指令的執行速度，必須有硬體地址變換機構的支援，即須在系統中增設一個重定位暫存器，用它來存放程式(資料)在記憶體中的起始地址。程式在執行時，真正訪問的記憶體地址是相對地址與重定位暫存器中的地址相加而形成的。圖2 示出了動態重定位的實現原理。

圖2. 動態重定位示意圖

地址變換過程是在程式執行期間，隨著對每條指令或資料的訪問自動進行的，故稱為動態重定位。當系統對記憶體進行了“緊湊”而使若干程式從記憶體的某處移至另一處時，不需對程式做任何修改，只要用該程式在記憶體的新起始地址，去置換原來的起始地址即可。

動態重定位分割槽分配演算法

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上相同，差別僅在於：在這種分配演算法中，增加了緊湊的功能，通常，在找不到足夠大的空閒分割槽來滿足使用者需求時進行緊湊。圖3 示出了動態重定位分割槽分配演算法。

圖3. 動態分割槽分配演算法流程圖

對換(Swapping)

在多道程式環境下，一方面，在記憶體中的某些程序由於某事件尚未發生而被阻塞執行，但它卻佔用了大量的記憶體空間，甚至有時可能出現在記憶體中所有程序都被阻塞而迫使 CPU停止下來等待的情況；另一方面，卻又有著許多作業在外存上等待，因無記憶體而不能進入記憶體執行的情況。顯然這對系統資源是一種嚴重的浪費，且使系統吞吐量下降。

為了解決這一問題，在系統中又增設了對換(也稱交換)設施。所謂“對換”，是指把記憶體中暫時不能執行的程序或者暫時不用的程式和資料調出到外存上，以便騰出足夠的記憶體空間，再把已具備執行條件的程序或程序所需要的程式和資料調入記憶體。對換是提高記憶體利用率的有效措施。

如果對換是以整個程序為單位的，便稱之為“整體對換”或“程序對換”。這種對換被廣泛地應用於分時系統中，其目的是用來解決記憶體緊張問題，並可進一步提高記憶體的利用率。

如果對換是以“頁”或“段”為單位進行的，則分別稱之為“頁面對換”或“分段對換”，又統稱為“部分對換”。這種對換方法是實現後面要講到的請求分頁和請求分段式儲存管理的基礎，其目的是為了支援虛擬儲存系統。

為了實現程序對換，系統必須能實現三方面的功能：對換空間的管理、程序的換出，以及程序的換入。

對換空間的管理

在具有對換功能的 OS 中，通常把外存分為檔案區和對換區。前者用於存放檔案，後者用於存放從記憶體換出的程序。由於通常的檔案都是較長久地駐留在外存上，故對檔案區管理的主要目標，是提高檔案儲存空間的利用率，為此，對檔案區採取離散分配方式。然而，程序在對換區中駐留的時間是短暫的，對換操作又較頻繁，故對對換空間管理的主要目標，是提高程序換入和換出的速度。為此，採取的是連續分配方式，較少考慮外存中的碎片問題。

為了能對對換區中的空閒盤塊進行管理，在系統中應配置相應的資料結構，以記錄外存的使用情況。其形式與記憶體在動態分割槽分配方式中所用資料結構相似，即同樣可以用空閒分割槽表或空閒分割槽鏈。在空閒分割槽表中的每個表目中應包含兩項，即對換區的首址及其大小，分別用盤塊號和盤塊數表示。

由於對換分割槽的分配是採用連續分配方式，因而對換空間的分配與回收，與動態分割槽方式時的記憶體分配與回收方法雷同。其分配演算法可以是首次適應演算法、迴圈首次適應演算法或最佳適應演算法。

程序的換出與換入

(1) 程序的換出。每當一程序由於建立子程序而需要更多的記憶體空間，但又無足夠的記憶體空間等情況發生時，系統應將某程序換出。其過程是：系統首先選擇處於阻塞狀態且優先順序最低的程序作為換出程序，然後啟動磁碟，將該程序的程式和資料傳送到磁碟的對換區上。若傳送過程未出現錯誤，便可回收該程序所佔用的記憶體空間，並對該程序的程序控制塊做相應的修改。

(2) 程序的換入。系統應定時地檢視所有程序的狀態，從中找出“就緒”狀態但已換出的程序，將其中換出時間最久(換出到磁碟上)的程序作為換入程序，將之換入，直至已無可換入的程序或無可換出的程序為止。