第三章、连续式内存分配

操作系统的内存管理&＃xff1a;

3.1 计算机体系结构及内存分层体系

操作系统的内存层次&＃xff1a;

操作系统在内存管理方面需要完成的目标&＃xff1a;

1. 抽象&＃xff1a; 逻辑地址空间
2. 保护&＃xff1a; 独立地址空间(保证多个进程间不会相互干扰)
3. 共享&＃xff1a; 访问共同的地址空间&＃xff08;当多个进程需要操作同一块操作地址时&＃xff0c;需要共享地址空间&＃xff09;
4. 虚拟化&＃xff1a; 由于缓存及寄存器的存储空间有限&＃xff0c;当存储大量数据时&＃xff0c;就需要使用虚拟空间

操作系统管理内存的不同方法&＃xff1a;

• 程序重定位
• 分段
• 分页
• 虚拟内存
• 按需分页虚拟内存

操作系统在完成内存管理操作同时还需要高度依赖于硬件

• 必须知道内存架构
• MMU&＃xff08;内存管理单元&＃xff09;&＃xff1a;硬件组件负责处理CPU的内存访问请求

3.2 地址空间及地址生成

① 地址空间的定义&＃xff1a;

物理地址空间&＃xff1a;

物理地址空间是指一些硬件支持的地址空间&＃xff0c;比如硬盘和内存条、高速缓存…

逻辑地址空间&＃xff1a;

逻辑地址空间是指一个运行程序所拥有的内存范围&＃xff0c;它的结构很简单&＃xff0c;就是一条线性的地址空间

但是最终逻辑地址空间还是会指向物理地址空间&＃xff0c;操作系统需要协调这二者的关系&＃xff0c;通过映射来使得逻辑地址指向物理地址。

② 逻辑地址的生成&＃xff1a;

③ 物理地址的生成&＃xff1a;

&＃61;>CPU方面

a. CPU执行指令时&＃xff0c;它的ALU部件会需要指令的某个内容&＃xff0c;它发出的请求中的参数会携带逻辑地址&＃xff1b;

b. CPU的内存管理单元MMU 寻找逻辑地址的映射表中是否存在物理地址。如果没有找到&＃xff0c;那么就会产生一个处理过程&＃xff0c;去内存中找。如果最终找着了&＃xff0c;那么CPU的控制器从总线发送在物理地址的内存内容的请求&＃xff1b;

&＃61;>内存方面

a. 内存发送物理地址内存内容给CPU&＃xff08;CPU开始处理对应的指令&＃xff09;

&＃61;>操作系统方面

a. 建立逻辑地址和物理地址之间的映射关系&＃xff0c;该关系可以放在内存中由CPU缓存来加快进程(确保程序不相互干扰)

④ 地址安全检查&＃xff1a;

3.3 连续内存分配&＃xff1a;内存碎片与分区的动态分配

内存碎片问题&＃xff1a;

碎片是指内存空闲不能被利用&＃xff0c;碎片分为内部碎片和外部碎片&＃xff0c;外部碎片是指分配单元之间不能被使用&＃xff1b;内部碎片是指分配单元中不能被使用。

简单的内存管理方法&＃xff1a;

操作系统管理内存的简单方法&＃xff1a;当一个程序准许运行在内存中时分配一个连续的空间&＃xff1b;分配一个连续的内存空间给运行的程序以访问数据。

分区的动态分配策略&＃xff1a;

1、首次适配&＃xff1a;

概念&＃xff1a;现在想要分配n 字节&＃xff0c;那么就会从低地址开始查找&＃xff0c;当查找到第一个空间大于n字节就结束返回。

需求&＃xff1a;

• 存在一个按照地址排序的空闲块列表
• 分配需要寻找一个合适的分区
• 重分配需要检查&＃xff0c;看是否自由分区能够合并于相邻的空闲分区(回收)

优点&＃xff1a;

• 简单、易于操作
• 便于生成更大的空间块&＃xff0c;向着空间地址的结尾(如果在前边找到后就结束&＃xff0c;那么不会破坏之后的空间块)

缺点&＃xff1a;

• 易于产生外部碎片(前后两个可利用空间块之间的小块不能被使用&＃xff0c;会被忽视)
• 不确定性

2、最优适配&＃xff1a;

概念&＃xff1a;会在空闲块间查找最适合的空间块&＃xff0c;为了避免分割大的空闲块&＃xff0c;同时为了最小化外部碎片产生的尺寸

需求&＃xff1a;

• 按照尺寸排列的空闲块列表
• 分配需要查找一个合适的分区
• 重分配需要搜索合并于相邻的空闲分区

优点&＃xff1a;

• 当大部分是小尺寸时非常有效
• 比较简单

缺点&＃xff1a;

• 会产生外部碎片
• 重分配慢
• 易于产生很多没用的微小碎片

3、最差适配&＃xff1a;

概念&＃xff1a;为了分配n字节&＃xff0c;使用最大的空闲块&＃xff0c;以至块的尺寸比n大

需求&＃xff1a;

• 按尺寸排列的空闲块
• 分配很快(每次获得最大的分区)
• 重分配需要合并于相邻的空闲分区

优点&＃xff1a;对于分配的是中等尺寸效果最好

缺点&＃xff1a;

• 重分配慢
• 会产生外部碎片
• 易于破坏大的空闲块以至于需要分配大分区时无法被分配

3.4 连续内存分配&＃xff1a;压缩式与交换式碎片整理

1、压缩式碎片整理&＃xff08;紧致&＃xff09;

• 重置程序以合并空洞
• 要求所有程序是动态可重置的
• 问题&＃xff1a;何时重置&＃xff0c;开销大

如图&＃xff1a;如果能够将程序占用的内存进行拷贝重分配&＃xff0c;那么会产生更多可用的内存空间&＃xff0c;但是仅仅靠软件来操作会有很大的开销&＃xff0c;对系统的性能会有更大的影响。

2、交换式碎片整理

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如果在运行P3时需要更多的内存&＃xff0c;而此时P4正在等待&＃xff0c;那么就可以将P4的数据拷贝到磁盘(虚拟内存)中&＃xff0c;此时P3就获得了足够多的内存可以运行&＃xff1b;当P4需要执行时再从磁盘上拷贝回 memory(主存)中即可。

有很大的开销&＃xff0c;对系统的性能会有更大的影响。

2、交换式碎片整理

如果在运行P3时需要更多的内存&＃xff0c;而此时P4正在等待&＃xff0c;那么就可以将P4的数据拷贝到磁盘(虚拟内存)中&＃xff0c;此时P3就获得了足够多的内存可以运行&＃xff1b;当P4需要执行时再从磁盘上拷贝回 memory(主存)中即可。