地址空間和交換技術

1. 地址空間的概念

在最初系統中沒有對記憶體的抽象，直接使用實體地址進行儲存，這種方法會帶來嚴重的問題。

1. 如果使用者程式可以定址記憶體的每個位元組，它們就可以容易地破壞作業系統。從而使作業系統停止執行
2. 想要同時執行多個程式很困難，因為使用實體地址很容易將資料覆蓋。

要保證多個應用程式同時存在於記憶體並且不互相影響，要解決兩個問題：保護和重定位。

一個很好的解決方法是創造一個記憶體抽象：地址空間。地址空間為程式創造了一種抽象的記憶體，地址空間是一個程序可用於定址記憶體的一套地址集合。每個程序都有一個自己的地址空間，並且這個地址空間獨立於其他程序的地址空間(在特殊情況下想要共享除外)。例如，電話號碼00000000000 ~ 99999999999就是一個地址空間。

2. 基址暫存器和界限暫存器

使用地址空間的困難點在於給每個程式一個自己的地址空間，假如A程式想要使用的地址為28，B程式想要使用的地址也為28。兩個程式同時執行，我們不能讓這兩個程式相互影響，就要讓他們想要使用的**邏輯地址**28對應不同的實體地址。

解決這個問題的一種方法是動態重定位。為每個CPU配置兩個特殊的暫存器，基址暫存器和界限暫存器。當程式執行時，程式的起始實體地址裝載到基址暫存器，長度裝載到界限暫存器。這樣程式在執行命令時，如果使用邏輯地址就會被解釋為基址暫存器儲存的實體地址。例如，此時程式想要訪問邏輯地址28，使用命令 “JMP 28”，此時基址暫存器中的值為16412，硬體自動把這條指令解釋為”JMP 16412”。

使用這種方法的缺點是，每次訪問記憶體都需要進行加法和比較

3. 記憶體超載

當所有要執行的程序所需要的記憶體大於計算機的實體記憶體時，就不能把所有程序一直儲存在記憶體中。這種情況叫做記憶體超載。要想解決這種問題，有兩種方法。

1. 交換技術
   即把一個程序完整排程記憶體，使該程序執行一段時間，然後把它存回磁碟。空閒程序主要儲存在磁碟上，就不會佔用記憶體。

2. 虛擬記憶體
   可以使程式在只有一部分被調入記憶體的情況下執行。

4. 交換技術

如圖所示，陰影區域表示未使用的記憶體。開始時記憶體中只有程序A。之後建立程序B和C或者從磁碟將它們還如記憶體。d圖顯示A被交換到磁碟，D被調入到記憶體，然後B被調出，A再次被調入。

1. 預留空間

通過圖片可見，使用這種方法，記憶體中有很多小的空閒區(陰影)，這些小的空閒區大部分無法放置合適的程序，就會造成浪費。通過把所有程序向下移動，將這些空閒區合在一起，可以節省空間，這種方法叫做記憶體緊縮。但是這個操作會耗費大量CPU時間。

使用這種方法我們需要注意一個問題，即如果程序大小不是一成不變的而是動態的該怎麼解決。若該程序與空閒區相鄰，可以使用空閒區來將該程序所佔記憶體擴大。但如果該程序與其他程序相鄰，則無法擴大，此時只能交換出一個或多個程序。

為了解決這個問題，在為程序分配記憶體空間時，可以為它們分配一些額外的記憶體。而寫回磁碟時，只寫回實際使用的記憶體。

a圖為給程序分配多餘空間的普通方法。如果程序有兩個可增長段，如資料段和堆疊段，則可以使用b中的方法。

2. 空閒記憶體管理

在動態分配記憶體時，作業系統必須對記憶體進行追蹤和管理。

1. 使用點陣圖的儲存管理
   記憶體被劃分為幾個字到幾千位元組的分配單元，每個分配單元對應於為點陣圖中的一位，0表示空閒，1表示佔用(或者相反)。分配單元越小，點陣圖越大。32n位的記憶體需要n位點陣圖。再決定把一個佔k個分配單元的程序調入記憶體中時，儲存管理器需要搜尋點陣圖，在點陣圖中找出有個k個連續為0的串。缺點是比較耗時。

   

2. 連結串列儲存管理
   連結串列中的結點或者是一個程序，或者是兩個程序間的空閒區。每一個結點包含：空閒區，程序的指示標誌、起始地址、長度。當程序終止時，更新非常直接，如果鄰居沒有空閒去，只把自己變為空閒區就可以。如果鄰居有空閒區則把該程序原有的地址與空閒區合併。所以雙鏈表更好，因為便於找到前後鄰居併合並。

   

5. 連結串列儲存管理中用來建立程序的演算法

假設儲存管理器知道要為程序分配多大記憶體。

1. 首次適配
   儲存器沿著段鏈進行搜尋，找到第一個足夠大的空閒區，將空閒區的一部分給程序使用，另一部分變為新的空閒區(除非大小正好一樣)。這種方法速度很快。

2. 下次適配
   工作方式與首次適配相似，但是不同於首次適配每次從頭開始尋找，下次適配會記錄下上次分配的位置，然後從上次分配過的地方開始。

3. 最佳適配
   搜尋整個連結串列，找到能容納程序的最小空閒區。浪費時間，並且會產生許多無用的小空閒區。

4. 最差適配
   與最佳適配相反，該方法總是總是分配最大空閒區給程序。

   如果想要增加以上4個演算法速度，可以為程序和空閒區維護各自的連結串列。但會增加記憶體釋放速度，因為要將結點從程序連結串列刪除，並加入到空閒區連結串列。
   
   可以將空閒區連結串列進行增序排序，以減少最佳適配的速度。當單獨維護空閒區時，可以直接用空閒區儲存資訊，每個空閒區的第一個字可以為大小，第二個字可以指向下一個空閒區。
   

5. 快速適配：為常用大小的空閒區維護單獨列表。例如有一個n項的表。表的第一項指向大小4KB空閒區，第二項為8KB，第三項為12KB。以此類推，21KB的空閒區可以放在代表20KB連結串列中，也可以單獨放置在特別連結串列中。

參考書目：現代作業系統第三版