Linux操作系統(tǒng)原理與應用第五章課件

1、第五章 存儲管理 5.1存儲管理概述 存儲管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負責計算機系統(tǒng)內(nèi)存空間的管理。其目的是充分利用內(nèi)存空間，為多道程序并發(fā)執(zhí)行提供存儲基礎(chǔ)，并盡可能地方便用戶使用。 5.1.1存儲管理的概念 存儲管理所研究的主要內(nèi)容包括3個方面：?。‵etch）放（Placement）替換（Replacement）5.1.2存儲管理的功能 內(nèi)存的分配與回收 地址轉(zhuǎn)換 內(nèi)存信息的共享與保護 內(nèi)存擴充 5.2覆蓋和交換技術(shù) 覆蓋和交換技術(shù)是在多道環(huán)境下用來擴充內(nèi)存的兩種方法。覆蓋技術(shù)主要用在早期的操作系統(tǒng)中，而交換技術(shù)則在現(xiàn)在操作系統(tǒng)中仍具有較強的生命力。 5.2.1覆蓋技術(shù) 覆蓋技術(shù)的基本

2、思想是把程序劃分為若干個功能上相對獨立的程序段，按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)讓那些不會同時執(zhí)行的程序段共享同一塊內(nèi)存區(qū)。通常，這些程序段都被保存在外存中，當有關(guān)程序段的先頭程序段已經(jīng)執(zhí)行結(jié)束后，再把后續(xù)程序段調(diào)入內(nèi)存覆蓋前面的程序段。這使得用戶看來好像內(nèi)存擴大了，從而達到了內(nèi)存擴充的目的。 5.2.2交換技術(shù) 交換指先將內(nèi)存某部分的程序或數(shù)據(jù)寫入外存交換區(qū)，再從外存交換區(qū)中調(diào)入指定的程序或數(shù)據(jù)到內(nèi)存中來。交換進程由換出和換入兩個過程組成，其中換出過程把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)或程序換到外存交換區(qū)，而換入過程把外存交換區(qū)中的數(shù)據(jù)或程序換到內(nèi)存分區(qū)中。交換技術(shù)大多用在小型機或微機系統(tǒng)中，這樣的系統(tǒng)大部分采用固定或者可變

3、分區(qū)方式管理內(nèi)存。 5.3存儲管理方案 存儲管理主要是討論和解決多道作業(yè)之間共享主存的存儲空間問題，如果沒有有效的存儲管理方式，不僅影響到服務器性能還可能造成整個系統(tǒng)的崩潰。 5.3.1分區(qū)存儲管理 單分區(qū)存儲管理 多分區(qū)存儲管理 固定分區(qū)存儲管理 可變分區(qū)存儲管理5.3.2分頁存儲管理 基本思想地址變換 快表 頁的共享和保護 多級頁表 5.3.3分段式儲管理 基本思想主存空間的分配和回收 地址變換與存儲保護段的共享 分段與分頁的區(qū)別5.3.4段頁式存儲管理 分頁和分段存儲管理方式都各有其優(yōu)缺點，分頁系統(tǒng)能有效地提高內(nèi)存利用率，而分段系統(tǒng)能很好地滿足用戶需要。段頁式系統(tǒng)是分頁和分段的結(jié)合，用戶

4、程序分成若干段，每個段劃分成若干頁，每段賦予一個段名。5.4虛擬存儲器 虛擬存儲器（Virtual Memory）及其管理技術(shù)是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特征之一，它將外存資源與內(nèi)存資源進行統(tǒng)一管理，解決了用較小容量的內(nèi)存運行大容量軟件的問題。本節(jié)講述虛擬存儲器的概念，并討論虛擬存儲器管理方法。 5.4.1虛擬存儲的概念 程序局部性原理 虛擬存儲器 5.4.2請求分頁存儲管理 請求分頁系統(tǒng)是建立在基本分頁系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了能支持虛擬存儲器功能而增加了請求調(diào)頁功能和頁面置換功能。頁表中除了有頁號、物理塊號兩項外，還需要狀態(tài)位、訪問字段、修改位、外存地址等信息 。5.4.3請求分段式存儲管理 在請求分段存

5、儲管理系統(tǒng)中，作業(yè)運行之前，將當前需要的若干分段裝入內(nèi)存，便可啟動作業(yè)運行。在作業(yè)運行中，若要訪問的分段不在內(nèi)存中，則通過調(diào)段功能將其調(diào)入，同時還可以通過置換功能將暫時不用的分段換出到外存。段表中除了有段號、段長、段的基址三項外，還需要存取方式、訪問字段、修改位、存在位、增補位、外存起始地址等信息。5.5Linux的存儲管理 Linux操作系統(tǒng)采用了請求式分頁虛擬存儲管理方法，系統(tǒng)為每個進程提供了4GB的虛擬內(nèi)存空間，各個進程的虛擬內(nèi)存彼此獨立。 5.5.1Linux存儲器管理概述 Linux的設(shè)計目標是支持絕大多數(shù)主流的CPU，而很多CPU使用的是RISC體系結(jié)構(gòu)，并沒有分段機制（采用虛擬分

6、頁存儲管理方法），所以內(nèi)核只有在80 x86結(jié)構(gòu)下才使用分段，：所有Linux進程僅僅使用四種段來對指令和數(shù)據(jù)尋址。運行在用戶態(tài)的進程使用用戶代碼段和用戶數(shù)據(jù)段。 5.5.2Linux的分頁管理機制 Linux的三級分頁結(jié)構(gòu) 5.5.3Linux物理內(nèi)存空間的管理 zone的概念 物理內(nèi)存的內(nèi)核映射物理內(nèi)存的頁面管理 物理內(nèi)存的分配與回收 5.5.4內(nèi)核態(tài)內(nèi)存的申請與釋放 申請內(nèi)存 釋放 5.5.5用戶態(tài)內(nèi)存的申請與釋放 Linux用kmalloc()函數(shù)和kfree()函數(shù)提供內(nèi)核內(nèi)存申請、釋放的接口，它還實現(xiàn)另一種虛擬空間的申請、釋放界面，就是vmalloc()和vfree()。 5.5.6存儲管理系統(tǒng)的緩沖機制 Swap cache Page Cache 5.6Linux系統(tǒng)地址映射實例 Linux 內(nèi)核采用頁式存儲管理。虛擬地址空間劃分成固定大小的“頁面”，由 MMU 在運行時將虛擬地址“映射”成某個物理內(nèi)存中的地址。本章小結(jié) 存儲管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，正在運行的程