第9章 內(nèi)存管理

1、安徽科技學(xué)院 設(shè)計(jì)人:趙艷紅第第9章章 內(nèi)存管理（內(nèi)存管理（2）教師：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程組教師：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)課程組E-mail: E-mail: （趙艷紅）（趙艷紅） （沈峰）（沈峰） 校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程1精選課件1Contents分頁(yè)分頁(yè)校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程2精選課件2引言引言? 為了消除外部碎片從而提高內(nèi)存使用效率，能否把為了消除外部碎片從而提高內(nèi)存使用效率，能否把進(jìn)程在內(nèi)存中連續(xù)存儲(chǔ)這種情況改變，使之非連續(xù)進(jìn)程在內(nèi)存中連續(xù)存儲(chǔ)這種情況改變，使之非連續(xù)存儲(chǔ)？存儲(chǔ)？把進(jìn)程的把進(jìn)程的邏輯內(nèi)存邏輯內(nèi)存分割成不同的分割成不同的塊塊。把把物理內(nèi)存物理內(nèi)存也分割為不同的也分割為不同

2、的塊塊。p 分割的方法不一樣，會(huì)導(dǎo)致以下不同的內(nèi)存管理方分割的方法不一樣，會(huì)導(dǎo)致以下不同的內(nèi)存管理方案：案：分段分段、分頁(yè)分頁(yè)、帶有分頁(yè)的分段帶有分頁(yè)的分段。內(nèi)存管理方案是通過(guò)硬件與操作系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理方案是通過(guò)硬件與操作系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)的。的。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程3精選課件39.4 分頁(yè)分頁(yè)9.4.1 基本方法基本方法n 把把物理內(nèi)存物理內(nèi)存分割成大小相等且大小固定的塊，稱(chēng)之分割成大小相等且大小固定的塊，稱(chēng)之為為幀幀(frame)，也稱(chēng)為，也稱(chēng)為物理頁(yè)物理頁(yè)。幀大小幀大?。?12Byte64KByte，80386中：中：4KByte.幀號(hào)幀號(hào)n 把進(jìn)程的把進(jìn)程的邏輯內(nèi)存邏輯內(nèi)

3、存也分割為與幀大小一樣的塊，稱(chēng)也分割為與幀大小一樣的塊，稱(chēng)之為之為頁(yè)頁(yè)，也稱(chēng)為，也稱(chēng)為邏輯頁(yè)邏輯頁(yè)。n 備份存儲(chǔ)器（如硬盤(pán)、備份存儲(chǔ)器（如硬盤(pán)、SD卡等）也分割為與幀大卡等）也分割為與幀大小一樣的塊。小一樣的塊。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程4精選課件49.4.1 基本方法基本方法n 當(dāng)一個(gè)程序從當(dāng)一個(gè)程序從硬盤(pán)硬盤(pán)調(diào)入到調(diào)入到內(nèi)存內(nèi)存時(shí)，要把時(shí)，要把整個(gè)整個(gè)程序程序即程序的所有頁(yè)都調(diào)入到內(nèi)存。即程序的所有頁(yè)都調(diào)入到內(nèi)存。在在請(qǐng)求分頁(yè)式請(qǐng)求分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)管理方案中只需要把虛擬存儲(chǔ)管理方案中只需要把當(dāng)前當(dāng)前運(yùn)行運(yùn)行需要的需要的頁(yè)頁(yè)調(diào)入調(diào)入內(nèi)存內(nèi)存中。中。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程5精選課件5頁(yè)表

4、頁(yè)表l作用：表示作用：表示頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào)與與幀號(hào)幀號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系l組成：組成：頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào)+幀號(hào)幀號(hào)l大部分操作系統(tǒng)都把大部分操作系統(tǒng)都把頁(yè)表頁(yè)表存儲(chǔ)在存儲(chǔ)在內(nèi)存內(nèi)存中。中。l頁(yè)表頁(yè)表的的大小大小由由進(jìn)程的長(zhǎng)度進(jìn)程的長(zhǎng)度決定。決定。例如，對(duì)于一個(gè)每頁(yè)長(zhǎng)例如，對(duì)于一個(gè)每頁(yè)長(zhǎng)1 K1 K，大小為，大小為20 K20 K的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，如的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)內(nèi)存單元存放一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，則只要分配給該頁(yè)表果一個(gè)內(nèi)存單元存放一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)，則只要分配給該頁(yè)表2020個(gè)存儲(chǔ)單元即可。個(gè)存儲(chǔ)單元即可。l每個(gè)進(jìn)程至少擁有一個(gè)頁(yè)表。每個(gè)進(jìn)程至少擁有一個(gè)頁(yè)表。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程6精選課件6邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的

5、分頁(yè)模型邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的分頁(yè)模型n頁(yè)到幀頁(yè)到幀的的地址轉(zhuǎn)換地址轉(zhuǎn)換是通過(guò)是通過(guò)硬件硬件完成的，如右圖所示。完成的，如右圖所示。nCPU產(chǎn)生的產(chǎn)生的邏輯地址邏輯地址分為兩部分為兩部分：分：頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào)(p):是頁(yè)表的是頁(yè)表的索引值索引值，頁(yè)表頁(yè)表中包含每頁(yè)對(duì)應(yīng)的中包含每頁(yè)對(duì)應(yīng)的幀號(hào)幀號(hào)頁(yè)偏移頁(yè)偏移(d):它與幀號(hào)組合形它與幀號(hào)組合形成成物理地址物理地址。在在80386中，地址為中，地址為32位。位。12位表示頁(yè)偏移：頁(yè)長(zhǎng)位表示頁(yè)偏移：頁(yè)長(zhǎng)為為4 KB20位表示頁(yè)號(hào)：位表示頁(yè)號(hào)： 頁(yè)數(shù)頁(yè)數(shù)1024K個(gè)個(gè)邏輯地址結(jié)構(gòu)如下圖所邏輯地址結(jié)構(gòu)如下圖所示：示：p分頁(yè)示例：頁(yè)長(zhǎng)分頁(yè)示例：頁(yè)長(zhǎng)4Byte，物理內(nèi)

6、存：，物理內(nèi)存：32Byte。頁(yè)表頁(yè)表邏輯內(nèi)存邏輯內(nèi)存物理內(nèi)存物理內(nèi)存頁(yè)碼頁(yè)碼邏輯地址邏輯地址0 0對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的的頁(yè)碼頁(yè)碼為為0 0，頁(yè)，頁(yè)偏移為偏移為0 0，根據(jù)，根據(jù)頁(yè)表，頁(yè)碼頁(yè)表，頁(yè)碼0 0對(duì)對(duì)應(yīng)的應(yīng)的幀號(hào)幀號(hào)是是5 5。所以邏輯地址所以邏輯地址0 0對(duì)應(yīng)的物理地址對(duì)應(yīng)的物理地址是是5 5* *4+0=204+0=20即即幀幀號(hào)頁(yè)長(zhǎng)頁(yè)偏號(hào)頁(yè)長(zhǎng)頁(yè)偏移移邏輯地址邏輯地址0對(duì)應(yīng)的物理地址對(duì)應(yīng)的物理地址是多少？是多少？123012305674幀號(hào)幀號(hào)校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程9精選課件9示例示例? 假設(shè)某假設(shè)某OS中，頁(yè)和幀的大小都為中，頁(yè)和幀的大小都為1KB，有一個(gè)進(jìn)，有一個(gè)進(jìn)程其頁(yè)表如下圖所

7、示，此進(jìn)程有一條指令為程其頁(yè)表如下圖所示，此進(jìn)程有一條指令為L(zhǎng)OAD 1，2500，此指令的虛地址為，此指令的虛地址為100。問(wèn)題：?jiǎn)栴}：(1)虛地址虛地址100對(duì)應(yīng)的物理地址。對(duì)應(yīng)的物理地址。(2) 指令中表示操作數(shù)的虛地址指令中表示操作數(shù)的虛地址2500對(duì)應(yīng)的物理地對(duì)應(yīng)的物理地址址? 解：解：(1)(1)為了找出邏輯地址為了找出邏輯地址100100對(duì)應(yīng)的物理地址，硬件地址變換機(jī)對(duì)應(yīng)的物理地址，硬件地址變換機(jī)構(gòu)首先將構(gòu)首先將100100轉(zhuǎn)換為頁(yè)號(hào)轉(zhuǎn)換為頁(yè)號(hào)p p與頁(yè)偏移與頁(yè)偏移d d組成的邏輯地址形式。即組成的邏輯地址形式。即p=0p=0，d=100d=100。從頁(yè)表中可知第。從頁(yè)表中可知第

8、0 0頁(yè)與頁(yè)與2 2號(hào)幀相對(duì)應(yīng)，將幀號(hào)號(hào)幀相對(duì)應(yīng)，將幀號(hào)2 2與與頁(yè)偏移頁(yè)偏移d=100d=100相連，得到物理內(nèi)存地址：相連，得到物理內(nèi)存地址：2 2* *1024+100=21481024+100=2148。210241002148校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程11精選課件11示例示例(2) (2) 指令中表示操作數(shù)的虛地址指令中表示操作數(shù)的虛地址25002500對(duì)應(yīng)的物理地址對(duì)應(yīng)的物理地址? ? 答案：答案：86448644。 課后請(qǐng)計(jì)算答案為什么是課后請(qǐng)計(jì)算答案為什么是86448644。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程12精選課件12n 分頁(yè)技術(shù)分頁(yè)技術(shù)不會(huì)不會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生外部碎片外部碎片：每個(gè)

9、幀都可能：每個(gè)幀都可能會(huì)被使用。會(huì)被使用。n 分頁(yè)技術(shù)分頁(yè)技術(shù)會(huì)會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生內(nèi)部碎片內(nèi)部碎片：因?yàn)榉峙鋯挝皇牵阂驗(yàn)榉峙鋯挝皇菐?。如果一個(gè)進(jìn)程要求的內(nèi)存并不是幀的整幀。如果一個(gè)進(jìn)程要求的內(nèi)存并不是幀的整數(shù)倍，那么最后一個(gè)幀就可能用不完。數(shù)倍，那么最后一個(gè)幀就可能用不完。例如：如果頁(yè)大?。豪纾喝绻?yè)大?。?048Byte2048Byte，進(jìn)程大?。海M(jìn)程大?。?2766Byte72766Byte，則進(jìn)程需要，則進(jìn)程需要3535個(gè)頁(yè)和個(gè)頁(yè)和1086Byte1086Byte。該進(jìn)程會(huì)得到該進(jìn)程會(huì)得到3636個(gè)幀。因此會(huì)產(chǎn)生個(gè)幀。因此會(huì)產(chǎn)生2048-2048-1086=962Byte1086=962By

10、te的內(nèi)部碎片。的內(nèi)部碎片。l當(dāng)系統(tǒng)需要執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它將檢查進(jìn)程當(dāng)系統(tǒng)需要執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它將檢查進(jìn)程所需要的頁(yè)數(shù)所需要的頁(yè)數(shù)。因此，如果進(jìn)程需要因此，如果進(jìn)程需要n個(gè)頁(yè)，那么內(nèi)存中至少應(yīng)有個(gè)頁(yè)，那么內(nèi)存中至少應(yīng)有n個(gè)個(gè)空閑幀空閑幀。如果有，則可以分配給新進(jìn)程。如果有，則可以分配給新進(jìn)程。l進(jìn)程的第一頁(yè)裝入一個(gè)空閑幀中，幀號(hào)放入進(jìn)程的頁(yè)表中。進(jìn)程的第一頁(yè)裝入一個(gè)空閑幀中，幀號(hào)放入進(jìn)程的頁(yè)表中。下一頁(yè)分配給另一個(gè)空閑幀，其幀號(hào)也放入進(jìn)程的頁(yè)表中，下一頁(yè)分配給另一個(gè)空閑幀，其幀號(hào)也放入進(jìn)程的頁(yè)表中，等等。等等。頁(yè)表的各項(xiàng)隨之被填充頁(yè)表的各項(xiàng)隨之被填充。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程14精選課件1

11、49.4.2 硬件支持硬件支持? 操作系統(tǒng)如何保存頁(yè)表？操作系統(tǒng)如何保存頁(yè)表？有的操作系統(tǒng)把頁(yè)表存儲(chǔ)在有的操作系統(tǒng)把頁(yè)表存儲(chǔ)在寄存器寄存器中。如中。如DEC DEC PDP-11PDP-11。大部分操作系統(tǒng)都把頁(yè)表存儲(chǔ)大部分操作系統(tǒng)都把頁(yè)表存儲(chǔ)在內(nèi)存中在內(nèi)存中。這時(shí)將。這時(shí)將頁(yè)表基寄存器頁(yè)表基寄存器(PTBR(PTBR，其作用與如下圖中的控制，其作用與如下圖中的控制寄存器相同寄存器相同) )指向指向頁(yè)表頁(yè)表。PTBRPTBR的值保存在進(jìn)程的的值保存在進(jìn)程的PCBPCB中。中。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程15精選課件159.4.2 硬件支持硬件支持校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程16精選課件16說(shuō)明

12、說(shuō)明(1) 地址變換過(guò)程地址變換過(guò)程：CPU中的地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成。中的地址變換機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成。(2)頁(yè)表頁(yè)表：在內(nèi)存中，取一個(gè)數(shù)據(jù)或指令：在內(nèi)存中，取一個(gè)數(shù)據(jù)或指令至少要訪問(wèn)內(nèi)至少要訪問(wèn)內(nèi)存兩次存兩次以上：獲取以上：獲取物理地址物理地址、取、取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)或或指令指令。n 為了提高查找速度：把為了提高查找速度：把最近使用最近使用過(guò)的過(guò)的頁(yè)表項(xiàng)頁(yè)表項(xiàng)放進(jìn)放進(jìn)小小型型的的高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器中，稱(chēng)之為中，稱(chēng)之為翻譯后備緩沖器翻譯后備緩沖器(translation look-aside buffer,TLB)。 TLB中保存的條目個(gè)數(shù)一般在中保存的條目個(gè)數(shù)一般在641024。80386中中:T

13、LB中為中為32項(xiàng)。項(xiàng)。v當(dāng)當(dāng)CPUCPU產(chǎn)生產(chǎn)生邏輯地址邏輯地址后，其后，其頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào)提交給提交給TLBTLB。如果找到。如果找到頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào)也也就找到了就找到了幀號(hào)幀號(hào)，則不需要再查找頁(yè)表了。如果在，則不需要再查找頁(yè)表了。如果在TLBTLB中中找不找不到到頁(yè)號(hào)，則需要頁(yè)號(hào)，則需要訪問(wèn)頁(yè)表訪問(wèn)頁(yè)表，當(dāng)?shù)玫?，?dāng)?shù)玫綆?hào)幀號(hào)后就可以訪問(wèn)后就可以訪問(wèn)內(nèi)存內(nèi)存。同時(shí)將同時(shí)將頁(yè)號(hào)與幀號(hào)頁(yè)號(hào)與幀號(hào)增加到增加到TLBTLB中中，供下次訪問(wèn)此頁(yè)時(shí)，供下次訪問(wèn)此頁(yè)時(shí)TLBTLB使用。使用。如果如果TLBTLB條目條目已滿(mǎn)已滿(mǎn)，則操作系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)條目將它移出，則操作系統(tǒng)會(huì)選擇一個(gè)條目將它移出TLBTLB。校重點(diǎn)建設(shè)

14、課程校重點(diǎn)建設(shè)課程18精選課件189.4.3 保護(hù)保護(hù) 分頁(yè)環(huán)境下，分頁(yè)環(huán)境下，內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)是通過(guò)與每個(gè)幀相關(guān)聯(lián)的是通過(guò)與每個(gè)幀相關(guān)聯(lián)的保保護(hù)位護(hù)位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 保護(hù)位的保護(hù)位的類(lèi)型類(lèi)型：用于指示頁(yè)可讀、可寫(xiě)、可讀：用于指示頁(yè)可讀、可寫(xiě)、可讀/ /寫(xiě)、寫(xiě)、有效有效/ /無(wú)效等。無(wú)效等。 有效有效/ /無(wú)效位無(wú)效位：有效時(shí)，表示該值相關(guān)的：有效時(shí)，表示該值相關(guān)的頁(yè)頁(yè)在進(jìn)程在進(jìn)程的的邏輯地址空間內(nèi)邏輯地址空間內(nèi)，是合法（或有效）的頁(yè)。無(wú)效，是合法（或有效）的頁(yè)。無(wú)效時(shí)，表示該時(shí)，表示該頁(yè)不在頁(yè)不在進(jìn)程的邏輯地址空間內(nèi)，進(jìn)程進(jìn)程的邏輯地址空間內(nèi)，進(jìn)程訪訪問(wèn)此頁(yè)問(wèn)此頁(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生非法操

15、作非法操作即無(wú)效地址引用。即無(wú)效地址引用。 操作系統(tǒng)可以通過(guò)操作系統(tǒng)可以通過(guò)保護(hù)位保護(hù)位設(shè)置該頁(yè)設(shè)置該頁(yè)有效有效/ /無(wú)效。無(wú)效。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程19精選課件19示例示例p 某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其物理地址空間物理地址空間為為1414位（位（016383),016383),有一個(gè)程序其有一個(gè)程序其邏輯地址空間邏輯地址空間為為010468010468。若頁(yè)大小：。若頁(yè)大?。?KB2KB，那么得到如下圖所示的頁(yè)表。，那么得到如下圖所示的頁(yè)表。 有效的地址范圍有效的地址范圍：012287012287。12288163831228816383對(duì)于此程對(duì)于此程序來(lái)說(shuō)，都是無(wú)效地址。序來(lái)說(shuō)

16、，都是無(wú)效地址。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程20精選課件20示例示例校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程21精選課件219.4.4 頁(yè)表結(jié)構(gòu)頁(yè)表結(jié)構(gòu)lIntel 80386Intel 80386中的中的地址空地址空間是間是232232，頁(yè)大小頁(yè)大?。?KB4KB (212)(212)，可表示的頁(yè)個(gè)，可表示的頁(yè)個(gè)數(shù)是數(shù)是232/212 232/212 個(gè)。也個(gè)。也即一個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表中條即一個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表中條目個(gè)數(shù)最多可以是：目個(gè)數(shù)最多可以是：232/212 232/212 個(gè)，如果每個(gè)，如果每個(gè)條目大小為個(gè)條目大小為4B4B，則每，則每個(gè)這個(gè)個(gè)這個(gè)頁(yè)表的大小是頁(yè)表的大小是4M4M。頁(yè)表還必須在內(nèi)存中連頁(yè)表還

17、必須在內(nèi)存中連續(xù)存放。續(xù)存放。如何使頁(yè)表可如何使頁(yè)表可以不必連續(xù)存放在內(nèi)存以不必連續(xù)存放在內(nèi)存中？中？校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程22精選課件22n Intel 80386解決這個(gè)問(wèn)題的方法：解決這個(gè)問(wèn)題的方法：兩層分頁(yè)兩層分頁(yè)算法，算法，即將頁(yè)表再分頁(yè)即將頁(yè)表再分頁(yè)保存。這時(shí)，邏輯地保存。這時(shí)，邏輯地址的結(jié)構(gòu)如圖所示。址的結(jié)構(gòu)如圖所示。P1是是外部頁(yè)表的索引外部頁(yè)表的索引，P2是是內(nèi)部頁(yè)表的索內(nèi)部頁(yè)表的索引。引。校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程23精選課件23Intel 80386中兩層分頁(yè)的地址轉(zhuǎn)換中兩層分頁(yè)的地址轉(zhuǎn)換又稱(chēng)為頁(yè)目又稱(chēng)為頁(yè)目錄表錄表頁(yè)表頁(yè)表校重點(diǎn)建設(shè)課程校重點(diǎn)建設(shè)課程24精選課件249.4.5 共享頁(yè)共享頁(yè)n 共享代碼共享代碼如果代碼是可重入的，那么就可以供多個(gè)進(jìn)程共如果代碼是可重入的，那么就可以供多個(gè)進(jìn)程共享。例如編輯器、編譯器等。享。例如編輯器、編譯器等。n 私有數(shù)據(jù)私有數(shù)據(jù)每個(gè)進(jìn)程都有自己的數(shù)據(jù)頁(yè)。每個(gè)進(jìn)程都有自己的數(shù)據(jù)頁(yè)。校重點(diǎn)建設(shè)課