操作系統(tǒng)內(nèi)存管理

1、內(nèi)存管理內(nèi)存管理目的目的l詳細描述內(nèi)存硬件的各種組織方法l討論各種內(nèi)存管理技術，包括分頁和分段l詳細描述 Intel Pentium 芯片，它支持純分段和帶分頁的分段背景背景l(fā)為了運行程序必須把程序從磁盤載入到內(nèi)存l內(nèi)存和寄存器是CPU唯一能直接訪問的存儲器l寄存器的訪問時間 vs 內(nèi)存的訪問時間 緩存l為了確保正常運行必須保護內(nèi)存l首先討論：l符號內(nèi)存地址到實際物理地址的綁定l邏輯地址與物理地址的區(qū)別l動態(tài)裝載、動態(tài)鏈接代碼及共享庫 在計算機科學中，庫庫是用于開發(fā)軟件的子程序集合。庫和可執(zhí)行文件可執(zhí)行文件的區(qū)別是，庫不是獨立程序，他們是向其他程序提供服務的代碼。 庫鏈接庫鏈接是指把一個或多個

2、庫包括到程序中，有兩種鏈接形式：靜態(tài)鏈接靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接動態(tài)鏈接，相應的，前者鏈接的庫叫做靜態(tài)庫后者的叫做動態(tài)庫。l靜態(tài)鏈接靜態(tài)鏈接是由鏈接器在鏈接時將庫的內(nèi)容加入到可執(zhí)行程序中的做法。鏈接器是一個獨立程序，將一個或多個庫或目標文件（先前由編譯編譯器器或匯編器匯編器生成）鏈接到一塊生成可執(zhí)行程序。l靜態(tài)鏈接的最大缺點是生成的可執(zhí)行文件太大，需要更多的系統(tǒng)資源，在裝入內(nèi)存時也會消耗更多的時間。l動態(tài)鏈接動態(tài)鏈接，在可執(zhí)行文件裝載時裝載時或運行時運行時，由操作系統(tǒng)的裝載程序裝載程序加載庫。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基地址寄存器和界限

3、地址寄存器l一個進程使用的內(nèi)存地址范圍是由一對基地址寄存器和界限地址寄存器來定義一個用戶程序的多步驟處理一個用戶程序的多步驟處理地址綁定地址綁定l地址綁定是從一個地址空間到另一個地址空間的映射l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不知道駐留地址邏輯地址空間和物理地址空間邏輯地址空間和物理地址空間l邏輯地址：CPU所生成的地址 (虛擬地址)l物理地址：從內(nèi)存單元所看到的地址綁定綁定內(nèi)存管理單元(MMU)內(nèi)存管理單元（內(nèi)存管理單元（MMU）l映射虛擬地址為物理地址的硬件設備l用戶進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l用戶程序決不會看到真正的物理地

4、址庫的鏈接及加載庫的鏈接及加載l靜態(tài)鏈接l動態(tài)鏈接 （dynamic link）l動態(tài)加載 （dynamic loading）動態(tài)加載動態(tài)加載l直到被調(diào)用之前，程序不會被載入到內(nèi)存，即加載延遲到運行時l優(yōu)點l不使用的程序不會載入到內(nèi)存， 既而內(nèi)存使用率高l適合用戶用大量代碼來操作不常發(fā)生事件時l不需要操作系統(tǒng)的特別支持，由程序員來設計動態(tài)鏈接動態(tài)鏈接l鏈接延遲到執(zhí)行時l小程序, stub（存根）, 用來定位適當?shù)膬?nèi)存駐留庫程序，或如果該程序不在內(nèi)存時應如何裝入庫l存根會用子程序地址來替換自己，并開始子程序l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。l動態(tài)鏈接通常適用于系

5、統(tǒng)庫l需要操作系統(tǒng)的幫助2. 交換（交換（swapping)l進程可以暫時從內(nèi)存中交換到備份存儲(backing store)上，當需要再次執(zhí)行時再調(diào)回到內(nèi)存lbacking store 通常是快速磁盤l優(yōu)先級調(diào)度算法中使用l滾出（roll out）, 滾入（roll in）l交換時間l轉(zhuǎn)移時間，而轉(zhuǎn)移時間與交換內(nèi)存空間量成正比l問：將交換出的進程再交換（調(diào)回）回來的時候，應調(diào)回哪個內(nèi)存空間（編譯時，加載時，執(zhí)行時）連續(xù)分配連續(xù)分配l內(nèi)存通常分為兩個區(qū)域：一個用于駐留操作系統(tǒng)，常與中斷向量一起放在低內(nèi)存另一個用于用戶進程，常放在高內(nèi)存。l單分區(qū)分配方法（Single-partition all

6、ocation）重定位寄存器方案用來保護用戶進程之間，用戶進程與操作系統(tǒng)之間不會相互修改代碼與數(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重定位和界限寄存器的硬件支持l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。當有新進程需要內(nèi)存時，為該進程查找足夠大的孔。操作系統(tǒng)維護的信息包括：l已分配分區(qū)l空閑分區(qū)（hole）動態(tài)存儲分配問題動態(tài)存儲分配問題l根據(jù)一組空閑孔來分配大小為n的請求。首次適應（First-fit）最佳適應（Best-fit）最差適應（Worst-fit）l

7、First-fit和best-fit在分配速度及存儲效率上優(yōu)于Worst-fit碎片（碎片（Fragmentation）l外部碎片l內(nèi)部碎片l緊縮（compaction）：用來降低外部碎片移動內(nèi)存內(nèi)容，以便所有空閑空間合并成一整塊。如果重定位是動態(tài)的，是在運行時進行的，那么就能采用緊縮l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)存就可為進程分配。分頁分段分頁分頁(Paging)l一個進程的物理地址可以是非連續(xù)的l將物理內(nèi)存分成固定大小的塊，稱為幀（frame）l將邏輯內(nèi)存分為同樣大小的塊，稱為頁（page）l跟蹤所有的空閑幀l建立頁表用來將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地

8、址。l內(nèi)部碎片地址轉(zhuǎn)換方法地址轉(zhuǎn)換方法lCPU生成的地址分成以下兩部分頁號頁號(p)：頁號作為頁表中的索引。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)構地址轉(zhuǎn)換體系結(jié)構邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的分頁模型邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的分頁模型分頁示例分頁示例空閑幀空閑幀頁表的實現(xiàn)頁表的實現(xiàn)l頁表保存在內(nèi)存中l(wèi)頁表基寄存器（PTBR）指向頁表l頁表長度寄存器（PTLR）指示頁表的大小l在這種方式下，每次數(shù)據(jù)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)指令的訪問需要訪問兩次內(nèi)存存。一次訪問頁表，另一次訪問數(shù)據(jù)/指令l兩次內(nèi)存訪問問題

9、可以用特別的快速查找硬件緩沖（稱為關聯(lián)內(nèi)存或翻譯后備緩沖器）來解決。關聯(lián)存儲關聯(lián)存儲l關聯(lián)內(nèi)存 并行搜索當關聯(lián)內(nèi)存根據(jù)給定值查找時，它會同時與所有鍵進行比較。如果找到條目，那么就得到相應的值域l地址轉(zhuǎn)換（A, A）如果A在關聯(lián)寄存器中，則直接取出其對應的frame #否則從內(nèi)存中的頁表當中得到frame #Page # Frame #帶帶TLB的分頁硬件的分頁硬件內(nèi)存保護內(nèi)存保護l內(nèi)存保護通過與每個幀關聯(lián)有保護位來實現(xiàn)?？勺x、可寫、只可讀l還有一位與頁表中的每一條目相關聯(lián)，稱為有效無有效無效位效位一個進程很少會使用其所有的地址空間。事實上，許多進程只使用一小部分可用的地址空間。如l對于14位地

10、址空間（0-16383）的系統(tǒng)，有一個程序，其地址空間為0-10648該位有效時表示相關的頁在進程的邏輯地址空間內(nèi)，因此是合法的頁。該位無效時表示相關的頁不在進程的邏輯地址空間內(nèi)。頁表中的有效無效位頁表中的有效無效位頁表結(jié)構頁表結(jié)構l層次化分頁lHash頁表l反向頁表層次化分頁層次化分頁l將邏輯地址空間分成多個頁表l一種簡單的方法是兩層分頁法兩層分頁方法實例兩層分頁方法實例l邏輯地址（32位機器，頁大小為4K）分成以下兩部分：頁號（20位）頁偏移（12位）l頁表又分成頁，所以頁號又進一步分成：10位頁號10位頁偏移l因此，邏輯地址表示如下兩級頁表方法示意兩級頁表方法示意地址轉(zhuǎn)換方法地址轉(zhuǎn)換方法

11、Hash頁表頁表l處理超過32位地址空間的常用方法是使用Hash頁表。l虛擬地址中的虛擬頁號被放入hash頁表中。hash頁表的每一條目都包括一個鏈接組的元素，這些元素hash成同一位置（碰撞）。l虛擬頁號與鏈表中的每 一個元素的第一個域相比較。如果匹配，那么對應的幀碼就用來形成位置地址。如果不匹配，那么就對鏈表中的下一個域進行頁碼比較。Hash頁表實例頁表實例反向頁表反向頁表l反向頁表對于每個真正的內(nèi)存頁或幀才有一個條目。l每個條目包含保存在真正內(nèi)存位置的頁的虛擬地址，以及擁有該頁的進程的信息。l雖然這種方案減低了存儲每個頁表所需要的內(nèi)存空間，但是當引用頁時它增加了查找頁表所需要的時間。l可

12、使用hash表來減少查找的次數(shù)反向頁表結(jié)構反向頁表結(jié)構共享頁共享頁l共享代碼可以在進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)在所有進程邏輯地址的同一位置l私有代碼和數(shù)據(jù)每個進程保留了代碼與數(shù)據(jù)的獨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。共享分頁實例共享分頁實例分段分段l支持用戶觀點的內(nèi)存管理方法l程序是若干段的集合主程序子程序函數(shù)方法對象局部變量，全局變量堆棧符號表，數(shù)組用戶角度的程序用戶角度的程序段的邏輯視角段的邏輯視角段的體系結(jié)構段的體系結(jié)構l邏輯地址由兩個元素組成l段表：將二維的用戶定義地址映射為一維物理地址。段表的每個條目都有段基地址和段界限?；刂罚喊蔚钠鹗嫉刂?/p>