計算機 存儲管理

1、第5章 存儲管理本章要點連續(xù)分配存儲管理方式 段式存儲管理 頁式存儲管理 虛擬存儲管理 1 存儲器管理 1 存儲器管理的主要功能存儲分配的方法為多道程序分配大小相同的存儲區(qū)還是大小不同的存儲區(qū)； 內(nèi)存的分配在程序執(zhí)行前分配還是在執(zhí)行過程中動態(tài)分配。地址變換程序執(zhí)行的內(nèi)存區(qū)域是連續(xù)的還是分散的。 地址保護如何保證程序之間既不沖突又可共享資源。內(nèi)存擴充如何將內(nèi)存和外存結(jié)合起來，為用戶提供更大的存儲空間。25 存儲器管理 2 邏輯地址和物理地址邏輯地址(相對地址)用戶程序經(jīng)編譯后生成的目標(biāo)模塊是以0為開始地址順序編址。 目標(biāo)模塊中的地址稱為相對地址或邏輯地址。物理地址(絕對地址)內(nèi)存的地址以字節(jié)為單

2、位，每個存儲單元都有唯一的地址。33 程序的鏈接和裝入 一個源程序要變?yōu)榭梢栽趦?nèi)存中運行的程序，通常要經(jīng)過編譯、鏈接和裝入三個步驟： 1）編譯：用戶程序經(jīng)編譯后生成的目標(biāo)模塊是以0為開始地址順序編址。 目標(biāo)模塊中的地址稱為相對地址或邏輯地址。 2）鏈接：將編譯后形成的多個目標(biāo)模塊以及它們運行所需要的庫函數(shù)，鏈接在一起形成裝入模塊。裝入模塊仍以0作為起始地址。 3）裝入：將裝入模塊裝入內(nèi)存實際物理地址空間。5 存儲器管理4（1）鏈接靜態(tài)鏈接：程序裝入內(nèi)存之前將整個目標(biāo)模塊鏈接，形成可執(zhí)行文件。裝入時動態(tài)鏈接：在各目標(biāo)模塊裝入內(nèi)存時鏈接，邊裝入邊鏈接。運行時動態(tài)鏈接：在執(zhí)行過程中將需要的模塊調(diào)入內(nèi)

3、存，并鏈接到調(diào)用模塊上。動態(tài)鏈接有利于實現(xiàn)目標(biāo)模塊的共享。通常被鏈接的共享代碼稱為動態(tài)鏈接庫(DLL)或共享庫(shared library)。5（2）程序裝入程序的邏輯地址與分配的內(nèi)存絕對地址不一致。每個邏輯地址也沒有一個固定的絕對地址與其對應(yīng)。例如： 程序被裝入到內(nèi)存A單元開始的內(nèi)存區(qū)域，則該程序訪問邏輯地址的K單元的數(shù)據(jù)時，實際應(yīng)訪問A+K單元。 為保證程序?qū)?shù)據(jù)的正確訪問，必須把邏輯地址轉(zhuǎn)換為絕對地址，把這個地址轉(zhuǎn)換過程稱為重定位。5 存儲器管理6程序的裝入方式重定位（地址映射） 把用戶程序中的相對地址（邏輯地址）轉(zhuǎn)換為主存中的絕對地址（物理地址）過程。靜態(tài)重定位 在程序裝入內(nèi)存時，裝

4、入程序把程序的邏輯地 址改成物理地址。物理地址固定，且必須連續(xù)。動態(tài)重定位 在程序執(zhí)行期間，通過重定位寄存器把程序的 邏輯地址改成物理地址。指令執(zhí)行之前無須修改地址，因此運行之前可以變換存儲位置，且各目標(biāo)模塊不需要連續(xù)存放。7靜態(tài)重定位示意圖 8動態(tài)重定位示意圖 9動態(tài)重定位示意圖10連續(xù)分配指為一個用戶程序分配一個連續(xù)的內(nèi)存空間。單一連續(xù)分配固定分區(qū)分配可變分區(qū)分配5.3連續(xù)分配存儲管理方式（P113）11單一連續(xù)分配基本思想是將系統(tǒng)程序和用戶程序分開。單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)示意圖12固定分區(qū)方法分區(qū)在系統(tǒng)啟動后劃分好，以后不能改變。劃分分區(qū)方法分區(qū)大小相等分區(qū)大小不等缺點內(nèi)存利用率低13分區(qū)

5、可變方法分區(qū)的大小和個數(shù)隨系統(tǒng)的運行而不斷改變14動態(tài)分區(qū)分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空閑分區(qū)表（P116）空閑分區(qū)鏈（P117）動態(tài)分區(qū)分配算法首次適應(yīng)法下次適應(yīng)法最佳適應(yīng)法最壞適應(yīng)法動態(tài)分區(qū)的分配和回收操作可變分區(qū)15可變分區(qū)內(nèi)存的回收回收分區(qū)與前面一個（低地址）空閑分區(qū)F1相鄰接，圖（a）回收分區(qū)與后面一個（高地址）空閑分區(qū)F2相鄰接，圖（b） 回收分區(qū)與前、后兩個空閑分區(qū)F1和F2均相鄰，圖（c）回收分區(qū)不與其它空閑分區(qū)相鄰接 16條件空閑分區(qū)鏈以存儲空間地址遞增的次序鏈接。優(yōu)點釋放時，因不改變該區(qū)在隊列中的位置，因此速度快。保證高地址有空閑空間，可留給大作業(yè)。缺點常用大空閑區(qū)適應(yīng)小作業(yè)，從而留下小空

6、閑區(qū)，且這些小空閑區(qū)在鏈表的前面，影響分配速度。可變分區(qū)分配算法最佳適應(yīng)法首次適應(yīng)法下次適應(yīng)法最壞適應(yīng)法條件空閑分區(qū)鏈以存儲空間地址遞增的次序連接成循環(huán)鏈，為進程分配存儲空間時，不是從隊首開始找，而是從上次找到的空閑空間的下一個空閑分區(qū)開始找。優(yōu)點存儲空間利用均衡。缺點沒有了較大空閑空間，使大作業(yè)無法運行。條件空閑分區(qū)鏈以存儲空間大小遞增的次序拉鏈。優(yōu)點若存儲空間中存在與申請大小相等的空閑區(qū)，則必然被選中，否則選一個稍大的空閑區(qū)，而避免毀掉更大的空閑區(qū)。缺點小碎片增加碎片問題嚴重?；厥諘r，將空閑區(qū)插入適當(dāng)?shù)奈恢觅M時。條件空閑分區(qū)鏈以存儲空間大小遞減的次序拉鏈。優(yōu)點分配后，剩下的空閑區(qū)還好用。申

7、請時，查找容易，因此速度快。缺點當(dāng)有大作業(yè)時，可能就沒有空間可用了。17練習(xí)1.在可變分區(qū)分配方案中，最佳適應(yīng)法是將空閑塊按_ _次序排序.A.地址遞增 B.地址遞減 C.大小遞增 D.大小遞減2.在分區(qū)存儲管理方式中，如果在按地址升序排列的未分配分區(qū)表中順序登記了下列未分配分區(qū)：1-起始地址17K，分區(qū)長度為9KB；2-起始地址54KB,分區(qū)長度13KB,現(xiàn)有一個分區(qū)被釋放，其起始地址為39KB，分區(qū)長度為15KB，則系統(tǒng)要_。A.合并第一個未分配分區(qū) B.合并第一個及第二個未分配分區(qū)C.合并第二個為分配分區(qū) D.不合并任何分區(qū)1.C2.C18練習(xí)3.在固定分區(qū)存儲管理中，每個分區(qū)的大小是_

8、。A.相同 B.隨進程的大小變化C.可以不同，需預(yù)先設(shè)定 D.可以不同，根據(jù)進程的大小設(shè)定4.在可變分區(qū)存儲管理中，合并分區(qū)的目的是_。A.合并空閑區(qū) B.合并分區(qū) C.增加內(nèi)存容量 D.便于地址交換3. C4. A19練習(xí)5.把程序地址空間中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存的物理地址稱_。A.加載 B.重定位 C.物理化 D.鏈接6.在以下存儲管理方案中，不適用于多道程序設(shè)計系統(tǒng)的是_。A.單一連續(xù)分區(qū) B.固定分區(qū)C.可變分區(qū) D.頁式存儲管理5. B6. A20練習(xí)7.在可變分區(qū)系統(tǒng)中，當(dāng)一個進程撤銷后，系統(tǒng)回收其占用的內(nèi)存空間，回收后造成空閑分區(qū)的個數(shù)減1的情況是_。A.回收區(qū)與空閑區(qū)無鄰接 B.

9、回收區(qū)與上面的空閑區(qū)鄰接C.回收區(qū)與下面的空閑區(qū)鄰接 D.回收區(qū)與上下兩個空閑區(qū)鄰接8.在可變分區(qū)分配方案中，首次適應(yīng)法是將空閑塊按_次序排序.A.地址遞增 B.地址遞減 C.大小遞增 D.大小遞減7 . D8 . A21練習(xí)9.在可變分區(qū)的分配算法中，傾向于優(yōu)先使用低地址部分空閑區(qū)的是_，能使內(nèi)存空間的空閑區(qū)分布得較均勻的是_,每次分配時，若內(nèi)存中有和進程需要的分區(qū)的大小相等的空閑區(qū)，一定能分配給進程的是_。首次適應(yīng)算法下次適應(yīng)算法最佳適應(yīng)算法22練習(xí)10. 在系統(tǒng)中采用可變分區(qū)存儲管理，操作系統(tǒng)占用低地址部分的126KB，用戶區(qū)的大小是386KB，若采用空閑分區(qū)表管理空閑分區(qū)。若分配時均從

10、高地址開始，對于下述的作業(yè)申請序列：作業(yè)1申請80KB；作業(yè)2申請56KB；作業(yè)3申請120KB；作業(yè)1完成；作業(yè)3完成；作業(yè)4申請156KB；作業(yè)5申請80KB。（1）畫出作業(yè)1、2、3進入內(nèi)存后。內(nèi)存分布情況。（2）畫出作業(yè)1、3完成后。內(nèi)存的分布情況。（3）畫出作業(yè)4、5進入內(nèi)存后。內(nèi)存分布的情況。23練習(xí)（1）作業(yè)1、2、3進入內(nèi)存后，內(nèi)存分布如下圖0KB126KB256KB376KB432KB操作系統(tǒng)126KB作業(yè)3:120KB作業(yè)2:56KB作業(yè)1:80KB24練習(xí)（2）作業(yè)1、3完成后，內(nèi)存的分布情況如下圖0KB126KB256KB376KB432KB操作系統(tǒng)126KB作業(yè)2:5

11、6KB512-1KB25練習(xí)（3）作業(yè)4、5進入內(nèi)存后，內(nèi)存的分布情況如下圖0KB126KB256KB376KB432KB操作系統(tǒng)126KB作業(yè)4:156KB作業(yè)2:56KB作業(yè)5:80KB512-1KB26離散分配方式的引入連續(xù)分配方式帶來的問題是會在存儲空間中產(chǎn)生許多“碎片”。能否將進程分配到許多不相鄰的分區(qū)中呢？由此產(chǎn)生離散分配方式。分頁存儲管理方式存儲管理的需要分段存儲管理方式用戶編程的需要27基本原理 內(nèi)存空間分成大小相等的若干個存儲塊，稱為物理塊或頁框。 將進程的邏輯地址空間分成與塊大小相等的若干頁，稱為頁面或頁； 在為進程分配內(nèi)存時，以塊為單位，將進程中的若干頁分別裝入多個可以不

12、相鄰的塊中。5.3頁式存儲管理28頁面的大小由機器的地址結(jié)構(gòu)決定的。頁面的大小的權(quán)衡 頁面較小-內(nèi)存碎片??；頁表過長，占用較大內(nèi)存空間。 頁面較大-頁表短，占用較少內(nèi)存；內(nèi)存碎片大。 通常頁面的大小要適中，在512B4MB之間。頁面大小的選擇29地址轉(zhuǎn)換方法 CPU生成的邏輯地址分成以下兩部分: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(d)：與頁的物理基地址組合就形成了物理地址。30地址轉(zhuǎn)換示意圖31邏輯地址被分為兩部分： 頁號 頁內(nèi)位移例如邏輯地址1500的二進制形式為0000 0101 1101 1100如果頁的大小為1024B，故頁內(nèi)位移占10位，剩下

13、6位為頁號邏輯地址1500對應(yīng)的頁號為1（二進制為0000 01） 頁內(nèi)位移為476（二進制為01 1101 1100）頁式存儲管理邏輯地址結(jié)構(gòu)32頁式存儲管理地址變換機構(gòu)LOAD 1,150012345050015003000進程邏輯地址空間LOAD 1,15002 70 41 6頁號 塊號頁表000001 0111011100邏輯地址1500000110 0111011100物理地址662066201K2K3K4K5K6K7K8K內(nèi)存物理地址空間33頁表的組織現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)都支持大的邏輯地址空間，當(dāng)?shù)刂房臻g較大（32位或64位）如32位時，若頁面大小為4KB=212B，有頁表項目220=

14、1M，若每個頁表項占4B，故每張頁表要占用4MB內(nèi)存。對頁表所需地址空間采用離散分配方式來解決將當(dāng)前需要的部分頁表項調(diào)入內(nèi)存，其余的頁表項仍駐留在磁盤上，需要時再調(diào)入內(nèi)存。34習(xí)題1. 某系統(tǒng)采用頁式存儲管理方法，主存儲器容量為256MB，分成64K個塊。某用戶作業(yè)有4頁，其頁號依次為0，1，2，3被分別放在主存塊號為2，4，l，6的塊中。要求：(1)寫出該作業(yè)的頁表；(2)指出該作業(yè)總長度的字節(jié)(Byte)數(shù)；(3)分別計算相對地址0，100和2，0對應(yīng)的絕對地址(方括號內(nèi)的第一元素為頁號，第二元素為頁內(nèi)地址)。35習(xí)題36習(xí)題2. 某頁式存儲管理系統(tǒng)，內(nèi)存的大小為64KB，被分成16塊，塊

15、號為0、1、2、15。設(shè)某進程有4頁，其頁號為0、1、2、3，被分別裝入內(nèi)存的2、4、7、5塊，問：（1）該進程的大小是多少字節(jié)？（2）寫出該進程每一頁在內(nèi)存的起始地址。（3）邏輯地址4146對應(yīng)的物理地址是多少？37例題（1）內(nèi)存的大小為64KB，被分成16塊，所以塊的大小是64KB/16=4KB。因為塊的大小與頁面的大小相等，所以頁的大小是4KB。該進程的大小是4*4=16KB。（2）因為進程頁號為0、1、2、3，被分別裝入內(nèi)存的2、4、7、5。第0頁在內(nèi)存的起始地址是：2*4KB=8KB；第1頁在內(nèi)存的起始地址是：4*4KB=16KB；第2頁在內(nèi)存的起始地址是：7*4KB=28KB；第3

16、頁在內(nèi)存的起始地址是：5*4KB=20KB。38例題（3）邏輯地址4146對應(yīng)的物理地址：4146/4096=1，50。邏輯地址4146對應(yīng)的頁號為1，頁內(nèi)位移為50。查找頁表，得知頁號為1的存儲塊號為4，所以邏輯地址4146對應(yīng)的物理地址是：4*4096+50=16434。39習(xí)題3. 某系統(tǒng)采用頁式存儲管理策略，某進程的邏輯地址空間為32頁，頁的大小為2KB，物理地址空間的大小是4MB。（1）寫出邏輯地址的格式。（2）該進程的頁表有多少項？每項至少占多少位？（3）如果物理地址空間減少一半，頁表的結(jié)構(gòu)有何變化？40習(xí)題（1）進程的邏輯地址空間為32頁，故邏輯地址中的頁號需要5位（二進制），由

17、于每頁的大小為2KB，因此頁內(nèi)位移須用11位（二進制）表示，這樣邏輯地址格式如下圖。頁號 頁內(nèi)位移1511 10041習(xí)題（2）因為進程的邏輯地址空間為32頁，因此該進程的頁表項有32項。頁表中應(yīng)存儲每頁的塊號。因為物理地址空間的大小是4MB，4MB的物理地址空間內(nèi)分成4MB/2KB=2K個塊，因此塊號部分需要11位（二進制），所以頁表中每項占16位。（3）如果物理地址空間減少一半，頁表的頁表項數(shù)不變，但每一項的長度從16位（二進制）減少到15位（二進制）。42方便編程分段共享分段保護動態(tài)鏈接動態(tài)增長引入原因5.4 段式存儲管理43段式存儲管理的基本原理整個作業(yè)的地址空間被分成若干個段，每個段

18、采用一段連續(xù)的地址空間，段的長度由相應(yīng)的邏輯信息的長度決定。44段式存儲管理地址變換機構(gòu)45例題（P127）段號內(nèi)存起始地址段長02105001235020210090在一個分段式存儲管理系統(tǒng)中，其段表如表5.2所示。求表5.3中邏輯地址對應(yīng)的物理地址。 表5.2 段表 表5.3 邏輯地址段號段內(nèi)位移0430110250046分頁和分段的區(qū)別分頁和分段的目的頁是信息的物理單位，分頁是系統(tǒng)管理的需要，而不是用戶的需要。段是信息的邏輯單位，它含一組意義完整的信息。分段是為了更好地滿足用戶的要求。頁和段長度頁的大小固定，由系統(tǒng)確定。段的長度不固定，決定于用戶所編寫的程序。地址空間分頁的作業(yè)地址空間是

19、一維的，即單一的線性地址空間。分段的作業(yè)地址空間是二維的，程序員在標(biāo)識一個地址時，需給出段名和段內(nèi)地址。47段的共享與保護 頁共享與段共享的比較 由于段是信息的邏輯單位，用戶易于實現(xiàn)對段的共享，也容易對段進行保護。而頁雖也可共享，但不方便。舉例例如有一個多用戶系統(tǒng)，可同時容納40個用戶，它們都執(zhí)行一個文本編輯程序，該文本編輯程序含有160KB的代碼和40KB的數(shù)據(jù)，如不共享，共需160*40+40*40=8MB的內(nèi)存空間來支持40個用戶。若代碼是可重入的，則無論是分頁系統(tǒng)還是分段系統(tǒng)都可以共享該代碼段，因此內(nèi)存只需留一個文本編輯程序，所需空間為160+40*40=1760KB。48頁的共享注意：頁的共享要求作業(yè)地址空間的共享頁必須具有相同的頁號。使用分頁系統(tǒng)，每個頁面