操作系統(tǒng)內(nèi)存管理PPT通用課件

1、操作系統(tǒng)內(nèi)存管理詳細(xì)描述內(nèi)存硬件的各種組織方法討論各種內(nèi)存管理技術(shù)，包括分頁和分段詳細(xì)描述 Intel Pentium 芯片，它支持純分段和帶分頁的分段背景為了運(yùn)行程序必須把程序從磁盤載入到內(nèi)存內(nèi)存和寄存器是CPU唯一能直接訪問的存儲(chǔ)器寄存器的訪問時(shí)間 vs 內(nèi)存的訪問時(shí)間 緩存為了確保正常運(yùn)行必須保護(hù)內(nèi)存首先討論：符號(hào)內(nèi)存地址到實(shí)際物理地址的綁定邏輯地址與物理地址的區(qū)別動(dòng)態(tài)裝載、動(dòng)態(tài)鏈接代碼及共享庫 在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，庫是用于開發(fā)軟件的子程序集合。庫和可執(zhí)行文件的區(qū)別是，庫不是獨(dú)立程序，他們是向其他程序提供服務(wù)的代碼。 庫鏈接是指把一個(gè)或多個(gè)庫包括到程序中，有兩種鏈接形式：靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接，

2、相應(yīng)的，前者鏈接的庫叫做靜態(tài)庫后者的叫做動(dòng)態(tài)庫。靜態(tài)鏈接是由鏈接器在鏈接時(shí)將庫的內(nèi)容加入到可執(zhí)行程序中的做法。鏈接器是一個(gè)獨(dú)立程序，將一個(gè)或多個(gè)庫或目標(biāo)文件（先前由編譯器或匯編器生成）鏈接到一塊生成可執(zhí)行程序。靜態(tài)鏈接的最大缺點(diǎn)是生成的可執(zhí)行文件太大，需要更多的系統(tǒng)資源，在裝入內(nèi)存時(shí)也會(huì)消耗更多的時(shí)間。動(dòng)態(tài)鏈接，在可執(zhí)行文件裝載時(shí)或運(yùn)行時(shí)，由操作系統(tǒng)的裝載程序加載庫。大多數(shù)操作系統(tǒng)將解析外部引用（比如庫）作為加載過程的一部分。 基地址寄存器和界限地址寄存器一個(gè)進(jìn)程使用的內(nèi)存地址范圍是由一對(duì)基地址寄存器和界限地址寄存器來定義一個(gè)用戶程序的多步驟處理地址綁定地址綁定是從一個(gè)地址空間到另一個(gè)地址空間

3、的映射將指令與數(shù)據(jù)綁定到內(nèi)存，有以下幾種情況不知道駐留地址邏輯地址空間和物理地址空間邏輯地址：CPU所生成的地址 (虛擬地址)物理地址：從內(nèi)存單元所看到的地址綁定內(nèi)存管理單元(MMU)內(nèi)存管理單元（MMU）映射虛擬地址為物理地址的硬件設(shè)備用戶進(jìn)程所生成的地址在送交內(nèi)存之前，都將加上重定位寄存器（基地址寄存器）的值用戶程序決不會(huì)看到真正的物理地址庫的鏈接及加載靜態(tài)鏈接動(dòng)態(tài)鏈接 （dynamic link）動(dòng)態(tài)加載 （dynamic loading）動(dòng)態(tài)加載直到被調(diào)用之前，程序不會(huì)被載入到內(nèi)存，即加載延遲到運(yùn)行時(shí)優(yōu)點(diǎn)不使用的程序不會(huì)載入到內(nèi)存， 既而內(nèi)存使用率高適合用戶用大量代碼來操作不常發(fā)生事件

4、時(shí)不需要操作系統(tǒng)的特別支持，由程序員來設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)鏈接鏈接延遲到執(zhí)行時(shí)小程序, stub（存根）, 用來定位適當(dāng)?shù)膬?nèi)存駐留庫程序，或如果該程序不在內(nèi)存時(shí)應(yīng)如何裝入庫存根會(huì)用子程序地址來替換自己，并開始子程序存根首先檢查所需子程序是否在內(nèi)存中，如果不在，就將子程序裝入內(nèi)存。動(dòng)態(tài)鏈接通常適用于系統(tǒng)庫需要操作系統(tǒng)的幫助2. 交換（swapping)進(jìn)程可以暫時(shí)從內(nèi)存中交換到備份存儲(chǔ)(backing store)上，當(dāng)需要再次執(zhí)行時(shí)再調(diào)回到內(nèi)存backing store 通常是快速磁盤優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中使用滾出（roll out）, 滾入（roll in）交換時(shí)間轉(zhuǎn)移時(shí)間，而轉(zhuǎn)移時(shí)間與交換內(nèi)存空間量成正比問

5、：將交換出的進(jìn)程再交換（調(diào)回）回來的時(shí)候，應(yīng)調(diào)回哪個(gè)內(nèi)存空間（編譯時(shí)，加載時(shí)，執(zhí)行時(shí)）連續(xù)分配內(nèi)存通常分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)用于駐留操作系統(tǒng)，常與中斷向量一起放在低內(nèi)存另一個(gè)用于用戶進(jìn)程，常放在高內(nèi)存。單分區(qū)分配方法（Single-partition allocation）重定位寄存器方案用來保護(hù)用戶進(jìn)程之間，用戶進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間不會(huì)相互修改代碼與數(shù)據(jù)重定位寄存器包含了最小的物理地址；界限寄存器包含了邏輯地址的范圍，每個(gè)邏輯地址必須小于界限寄存器重定位和界限寄存器的硬件支持多分區(qū)分配方法孔（Hole）：一塊可用內(nèi)存稱為孔。不同大小的孔分布在內(nèi)存的不同地方。當(dāng)有新進(jìn)程需要內(nèi)存時(shí)，為該進(jìn)程查找足夠大

6、的孔。操作系統(tǒng)維護(hù)的信息包括：已分配分區(qū)空閑分區(qū)（hole）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配問題根據(jù)一組空閑孔來分配大小為n的請(qǐng)求。首次適應(yīng)（First-fit）最佳適應(yīng)（Best-fit）最差適應(yīng)（Worst-fit）First-fit和best-fit在分配速度及存儲(chǔ)效率上優(yōu)于Worst-fit碎片（Fragmentation）外部碎片內(nèi)部碎片緊縮（compaction）：用來降低外部碎片移動(dòng)內(nèi)存內(nèi)容，以便所有空閑空間合并成一整塊。如果重定位是動(dòng)態(tài)的，是在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的，那么就能采用緊縮另一種可能解決外部碎片問題的方法是允許物理地址空間為非連續(xù)，這樣只要有物理內(nèi)存就可為進(jìn)程分配。分頁分段分頁(Paging)一個(gè)

7、進(jìn)程的物理地址可以是非連續(xù)的將物理內(nèi)存分成固定大小的塊，稱為幀（frame）將邏輯內(nèi)存分為同樣大小的塊，稱為頁（page）跟蹤所有的空閑幀建立頁表用來將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。內(nèi)部碎片地址轉(zhuǎn)換方法CPU生成的地址分成以下兩部分頁號(hào)(p)：頁號(hào)作為頁表中的索引。頁表中包含每頁所在物理內(nèi)存的基地址。頁偏移(d)：與頁的基地址組合就形成了物理地址，就可送交物理單元。地址轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的分頁模型分頁示例空閑幀頁表的實(shí)現(xiàn)頁表保存在內(nèi)存中頁表基寄存器（PTBR）指向頁表頁表長(zhǎng)度寄存器（PTLR）指示頁表的大小在這種方式下，每次數(shù)據(jù)/指令的訪問需要訪問兩次內(nèi)存。一次訪問頁表，另一次訪問數(shù)據(jù)/

8、指令兩次內(nèi)存訪問問題可以用特別的快速查找硬件緩沖（稱為關(guān)聯(lián)內(nèi)存或翻譯后備緩沖器）來解決。關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)內(nèi)存 并行搜索當(dāng)關(guān)聯(lián)內(nèi)存根據(jù)給定值查找時(shí)，它會(huì)同時(shí)與所有鍵進(jìn)行比較。如果找到條目，那么就得到相應(yīng)的值域地址轉(zhuǎn)換（A, A）如果A在關(guān)聯(lián)寄存器中，則直接取出其對(duì)應(yīng)的frame #否則從內(nèi)存中的頁表當(dāng)中得到frame #Page # Frame #帶TLB的分頁硬件內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)通過與每個(gè)幀關(guān)聯(lián)有保護(hù)位來實(shí)現(xiàn)?？勺x、可寫、只可讀還有一位與頁表中的每一條目相關(guān)聯(lián)，稱為有效無效位一個(gè)進(jìn)程很少會(huì)使用其所有的地址空間。事實(shí)上，許多進(jìn)程只使用一小部分可用的地址空間。如對(duì)于14位地址空間（0-16383）的系

9、統(tǒng)，有一個(gè)程序，其地址空間為0-10648該位有效時(shí)表示相關(guān)的頁在進(jìn)程的邏輯地址空間內(nèi)，因此是合法的頁。該位無效時(shí)表示相關(guān)的頁不在進(jìn)程的邏輯地址空間內(nèi)。頁表中的有效無效位頁表結(jié)構(gòu)層次化分頁Hash頁表反向頁表層次化分頁將邏輯地址空間分成多個(gè)頁表一種簡(jiǎn)單的方法是兩層分頁法兩層分頁方法實(shí)例邏輯地址（32位機(jī)器，頁大小為4K）分成以下兩部分：頁號(hào)（20位）頁偏移（12位）頁表又分成頁，所以頁號(hào)又進(jìn)一步分成：10位頁號(hào)10位頁偏移因此，邏輯地址表示如下兩級(jí)頁表方法示意地址轉(zhuǎn)換方法Hash頁表處理超過32位地址空間的常用方法是使用Hash頁表。虛擬地址中的虛擬頁號(hào)被放入hash頁表中。hash頁表的每一

10、條目都包括一個(gè)鏈接組的元素，這些元素hash成同一位置（碰撞）。虛擬頁號(hào)與鏈表中的每 一個(gè)元素的第一個(gè)域相比較。如果匹配，那么對(duì)應(yīng)的幀碼就用來形成位置地址。如果不匹配，那么就對(duì)鏈表中的下一個(gè)域進(jìn)行頁碼比較。Hash頁表實(shí)例反向頁表反向頁表對(duì)于每個(gè)真正的內(nèi)存頁或幀才有一個(gè)條目。每個(gè)條目包含保存在真正內(nèi)存位置的頁的虛擬地址，以及擁有該頁的進(jìn)程的信息。雖然這種方案減低了存儲(chǔ)每個(gè)頁表所需要的內(nèi)存空間，但是當(dāng)引用頁時(shí)它增加了查找頁表所需要的時(shí)間?？墒褂胔ash表來減少查找的次數(shù)反向頁表結(jié)構(gòu)共享頁共享代碼可以在進(jìn)程之間共享共同代碼（只讀的，可重入的）（如文本編輯器、編譯器、Windows系統(tǒng)）共享代碼必須出現(xiàn)在所有進(jìn)程邏輯地址的同一位置私有代碼和數(shù)據(jù)每個(gè)進(jìn)程保留了代碼與數(shù)據(jù)的獨(dú)立的拷貝私有代碼和數(shù)據(jù)頁可以出現(xiàn)在邏輯地址空間的任何地方。共享分頁實(shí)例分段支持用戶觀點(diǎn)的內(nèi)存管理方法程序是若干段的集合主程序子程序函數(shù)方法對(duì)象局部變量，全局變量堆棧符號(hào)表，數(shù)組用戶角度的程序段的邏