內(nèi)存管理課件

1、內(nèi)存管理四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 左劼提綱背景交換連續(xù)內(nèi)存分配頁式內(nèi)存管理段式內(nèi)存管理段頁式內(nèi)存管理背景程序必須被裝載到內(nèi)存中，并建立一個(gè)相關(guān)進(jìn)程才能執(zhí)行在磁盤上等待調(diào)入內(nèi)存以便執(zhí)行的進(jìn)程形成了輸入隊(duì)列用戶程序在正式開始執(zhí)行之前還進(jìn)行了若干的動(dòng)作用戶程序的處理步驟邏輯地址和物理地址程序中使用的地址是邏輯地址，而每一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址則是物理地址程序所生成的所有邏輯地址的集合稱為邏輯地址空間所有的物理地址的集合稱為物理地址空間程序在執(zhí)行過程中，如果訪問內(nèi)存，需要將使用的邏輯地址變換成物理地址內(nèi)存管理單元 (MMU)內(nèi)存管理單元是一個(gè)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)將邏輯地址映射成物理地址程序產(chǎn)生的所有邏輯地址都會(huì)在MMU

2、中被加上重定位寄存器的值，變成物理地址，這個(gè)過程發(fā)生在地址被發(fā)送到內(nèi)存之前用戶程序只能看到邏輯地址，而不能看見物理地址動(dòng)態(tài)鏈接鏈接延遲到執(zhí)行期間有一段小的程序(stub)來定位子程序stub用被調(diào)用的子程序來替換掉自己，并調(diào)用其進(jìn)行執(zhí)行操作系統(tǒng)需要確認(rèn)被調(diào)用的子程序是否在進(jìn)程的內(nèi)存空間內(nèi)覆蓋在內(nèi)存中只保留當(dāng)前必要的代碼和數(shù)據(jù)，當(dāng)需要其它的代碼和數(shù)據(jù)的時(shí)候，再把它們裝載進(jìn)內(nèi)存，覆蓋掉原有的部分內(nèi)容這種技術(shù)是在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的，不需要操作系統(tǒng)的執(zhí)行，但需要較為復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)技術(shù)。覆蓋的例子動(dòng)態(tài)重定位 提綱背景交換連續(xù)內(nèi)存分配頁式內(nèi)存管理段式內(nèi)存管理段頁式內(nèi)存管理交換 (swap)一個(gè)進(jìn)程可以被臨時(shí)交換

3、出內(nèi)存，存放到后備存儲(chǔ)器，并在必要的時(shí)候重新調(diào)入內(nèi)存，繼續(xù)運(yùn)行后備存儲(chǔ)器是一個(gè)高速的磁盤，并且具有足夠的容量，以便容納下所有用戶的所有內(nèi)存映像的拷貝；它還必須提供直接映像訪問方式在某些基于優(yōu)先級的調(diào)度算法中，操作系統(tǒng)將低優(yōu)先級的進(jìn)程交換出內(nèi)存，以便高優(yōu)先級的進(jìn)程的運(yùn)行，而運(yùn)行完畢之后，再將低優(yōu)先級的進(jìn)程裝入內(nèi)存運(yùn)行，這稱為滾出、滾入(roll out, roll in)幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)都可以看到交換技術(shù)交換的示意圖提綱背景交換連續(xù)內(nèi)存分配頁式內(nèi)存管理段式內(nèi)存管理段頁式內(nèi)存管理連續(xù)內(nèi)存分配方法主存儲(chǔ)器分成兩個(gè)部分：常駐的操作系統(tǒng)，通常在低地址端(可能還包含中斷向量表)用戶程序存儲(chǔ)在高端的內(nèi)

4、存區(qū)域每個(gè)進(jìn)程使用一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域：重定位寄存器模式將保護(hù)進(jìn)程之間、操作系統(tǒng)代碼不會(huì)被非法訪問和修改重定位寄存器包含最低物理地址，界限寄存器存儲(chǔ)物理地址的范圍連續(xù)內(nèi)存分配 (續(xù))多分區(qū)分配：孔(Hole)：整塊可供使用的內(nèi)存為每一個(gè)進(jìn)程分配一塊足夠大的孔操作系統(tǒng)管理以下信息a) 已經(jīng)分配的分區(qū)b) 空閑分區(qū) (即孔)OSprocess 5process 8process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 9process 2process 9process 10動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配問題在給定的孔序列中，怎樣滿足大小

5、為n的請求？首次適應(yīng)：分配第一個(gè)足夠大小的孔最佳適應(yīng)：分配最小的滿足要求的孔最壞適應(yīng)：分配最大的孔碎片問題外部碎片(external fragmentation)：空閑內(nèi)存之和可以滿足請求，但它們不是連續(xù)的內(nèi)部碎片(Internal fragmentation)：分配的內(nèi)存比請求的內(nèi)存稍微大一點(diǎn)，這些碎片在分區(qū)內(nèi)部，但不能被使用可以通過緊縮(compaction)來減少外部碎片移動(dòng)內(nèi)存內(nèi)容，以便所有空閑空間合并成一整塊只有系統(tǒng)支持執(zhí)行期的動(dòng)態(tài)重定位，緊縮才可能發(fā)揮作用I/O 問題當(dāng)進(jìn)程進(jìn)行I/O的時(shí)候，將進(jìn)程的內(nèi)存釘住或者讓I/O只能使用操作系統(tǒng)的緩沖區(qū)提綱背景交換連續(xù)內(nèi)存分配頁式內(nèi)存管理段式

6、內(nèi)存管理段頁式內(nèi)存管理頁式內(nèi)存分配允許進(jìn)程的物理地址空間是非連續(xù)的，進(jìn)程只在必要的時(shí)候才分配真實(shí)的物理內(nèi)存將物理內(nèi)存分割成固定大小的塊，稱為幀(一般是2的整數(shù)次冪，5128K之間)將邏輯內(nèi)存也分割成同樣大小的塊，稱為頁地址轉(zhuǎn)換CPU產(chǎn)生的地址分為以下兩個(gè)部分：頁號(p)：作為頁表的索引，頁表作中存儲(chǔ)了每頁的物理基地址頁內(nèi)偏移量(d)：和基地址一起表示物理內(nèi)存的地址地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 頁表的實(shí)現(xiàn)頁表應(yīng)該駐留在內(nèi)存中頁表基地址寄存器(PTBR)指向頁表頁表長度寄存器指示了頁表的長度每次數(shù)據(jù)/指令的訪問都需要兩次內(nèi)存訪問，一次訪問頁表，一次訪問真正的數(shù)據(jù)兩次內(nèi)存訪問問題可以通過使用一種特殊的支持快速查找的

7、硬件緩存，稱為關(guān)聯(lián)寄存器，或翻譯后備緩沖器(TLB)來解決分頁的硬件支持有效內(nèi)存訪問時(shí)間關(guān)聯(lián)查找時(shí)間： 毫秒假設(shè)內(nèi)存訪問周期是 1 毫秒命中率()：關(guān)聯(lián)寄存器中找到頁號的概率有效內(nèi)存訪問時(shí)間(EAT) = ( + 1) + ( + 1 + 1)(1 ) = 2 + 內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)功能通過頁表中每一個(gè)條目上的有效-無效位實(shí)現(xiàn)如果有效-無效位位有效，表示相關(guān)的頁在進(jìn)程的邏輯地址空間內(nèi)，否則相關(guān)頁是無效的兩層頁表結(jié)構(gòu)反向頁表對每一個(gè)實(shí)際存在的頁有一項(xiàng)記錄記錄中包含頁的虛地址，以及使用該頁的進(jìn)程這種方法減少了內(nèi)存使用量，但增加了訪問的時(shí)間，降低了性能可以使用哈希表來降低搜索的次數(shù)反向頁表共享頁面共享

8、代碼整個(gè)系統(tǒng)中只有一份只讀代碼的拷貝唯一的拷貝被通過頁表映射到每個(gè)進(jìn)程的邏輯地址控件中共享代碼必須出現(xiàn)在所有進(jìn)程的邏輯地址空間的相同位置共享頁面例子提綱背景交換連續(xù)內(nèi)存分配頁式內(nèi)存管理段式內(nèi)存管理段頁式內(nèi)存管理段式內(nèi)存分配一種支持用戶觀點(diǎn)的內(nèi)存管理模式一個(gè)程序是若干段的集合，段是一個(gè)邏輯單元每個(gè)段的大小不要求一樣大分段的邏輯視圖13241423user space physical memory space分段的體系結(jié)構(gòu) 邏輯地址包含兩個(gè)部分 ,段表：映射邏輯地址到屋里地址，每一條記錄包含基地址：包含了段在內(nèi)存中的起始物理地址界限：指出了段的長度段表基地址寄存器(STBR)指向了段表的起始地址段表長度寄存器(STLR)指出了段表的長度 對一個(gè)段號 s，如果 s STLR分段的硬件支持分段的體系結(jié)構(gòu) (續(xù))段的重定位可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的重定位通過段表來實(shí)現(xiàn)段的共享也可以象共享頁一樣共享段它們一般說需要相同的段號分段的體系結(jié)構(gòu) (續(xù))保護(hù)：可以通過標(biāo)志位指示段的有效性還可以指定段的讀、寫、執(zhí)行等權(quán)限段的分配：因?yàn)槎问亲冮L的，所以分配問題是動(dòng)態(tài)分配問題首次適應(yīng)/最佳適應(yīng)外部