内存管理概念思维导图

U582141251

2024-12-20

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存放页表长度

如何实现地址转换

地址变换过程

内存管理概念内容详述

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思维导图大纲

内存的基础知识

什么是内存，有何作用

存储单元，内存地址的概念和联系

按字节编址VS按字编址

进程运行的基本原理

指令的工作原理

操作码+若干参数(可能包含地址参数)

逻辑地址(相对地址) VS 物理地址(绝对地址)

从写程序到程序运行

编译源代码文件

编译

由源代码文件生成目标模块(高级语言“翻译”为机器语言)

链接

由目标模块生成装入模块，链接后形成完整的逻辑地址

装入

将装入模块装入内存，装入后形成物理地址

三种链接方式

静态链接

装入前链接成一个完整装入模块

装入时动态链接

运行前，边装入边链接

运行时动态链接

运行时，需要目标模块才能装入并链接

三种装入方式

绝对装入

编译时产生绝对地址

可重定位装入

装入时将逻辑地址转换为物理地址

动态运行时装入

运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位寄存器

内存管理的概念

内存空间的分配与回收

内存空间的扩充(实现虚拟性)

地址转换

操作系统负责实现逻辑地址到物理地址的转换

三种方式

绝对装入:编译负责地址转换(单道程序阶段，无操作系统)

可重定位装入：装入程序负责地址转换(早起多道批处理阶段)

动态运行时装入:运行时才进行地址转换(现代操作系统)

存储保护

保证各进程在自己的内存空间内运行，不会越界访问

两种方式

保证各进程在自己内存空间运行，不会越界访问

两种方式

设置上下限寄存器

利用重定位寄存器，界地址寄存器进行判断

覆盖与交换

覆盖技术

一个固定区

存放最活跃的程序段

固定区中的程序段在运行过程中不会调入调出

若干覆盖区

不可能同时被访问程序段可共享一个覆盖区

覆盖区的程序段在运行过程中会根据需要调入调出

必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖

缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担

交换技术

内存紧张的时候，换出某些进程以腾出内存空间，再换入某些进程。

磁盘分为文件区和对换区，换出的进程放在对换区

覆盖与交换的区别

覆盖是同一个程序或者进程中的

交换是在不同进程(或作业)之间的

连续分配管理

单一连续分配

只支持单道程序，内存分为系统区和用户区，用户程序放在用户区

无外部碎片，有内部碎片

固定分区分配

支持多道程序，内存用户空间分为若干个固定大小的分区，每个分区只能装一个作业

无外部碎片，有内部碎片

两种区分方式

分区大小相等

分区大小不等

动态分区分配

支持多道程序，在进程装入内存时，根据进程的大小动态的建立分区。

无内部碎片，有外部碎片

外部碎片可以用“紧凑”技术来解决

回收内存分区时，可能遇见的四种情况

回收区之后，有相邻的空闲分区

回收区之前，有相邻的空闲分区

回收区前后，都有相邻的空闲分区

回收区前后，都没有相邻的空闲分区

动态分区分配算法

首次适应

算法思想

从头到尾找合适的分区

分区排列顺序

空闲分区以地址递增次序排列

优点

综合看性能最好。算法开销小，回收分区后一般不需要对空闲分区队列重新排序。

缺点

无

最佳适应

算法思想

优先使用更小的分区，以保留更多大分区。

分区排列顺序

空闲分区以容量递增次序排列

优点

会有更多的大分区被保留下来，更能满足大进程需求。

缺点

会产生很多太小的，难以利用的碎片；算法开销大，回收分区后可能需要对空闲分区队列重新排序

最坏适应

算法思想

优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用的碎片

分区排列顺序

空闲分区以容量递减次序排列

优点

可以减少难以利用的小碎片

缺点

大分区容易被用完，不利于大进程，算法开销大

邻近适应

算法思想

由首次适应演变而来，每次从上次查找结束位置开始查找

分区排列顺序

空闲分区以地址递增次序排列(可排列成循环链表)

优点

不用每次都从低地址大小分区开始检索。算法开销小

缺点

会使高地址大大小分区也被用完。

基本分页存储管理的基本概念

基本分页存储管理的思想：把进程分页，各个页面可离散的放到各个内存块中

易混概念

“页框，页帧，内存块，物理块，物理页”VS“页面号，页号”

“页框号，页帧号，内存块号，物理块号，物理页号”VS“页号，页面号”

页表

页表记录了页面和实际存放的内存块之间的映射关系

一个进程对应一张页表，进程的每一页对应一个页表项，每个页表项由“页号”和“块号”组成

每个页表项的大小是相同的，页号是“隐含”的

i号页表项存放地址=页表始址+i*页表项大小

逻辑地址结构——可拆分为【页号P,页内偏移量W】

页号=逻辑地址/页面大小；页内偏移量=逻辑地址%页面大小

如果页面大小刚好是2的整数次幂呢？

如何实现地址转换

1.计算出逻辑地址对应的【页号，页内偏移量】

2.找到对应页面在内存中的存放位置

物理地址=页面地址+页内偏移量

基本地址变换机构

页表寄存器的作用

存放页表起始地址

存放页表长度

地址变换过程

1.根据逻辑地址算出页号，页内偏移量

2.页号的合法性检测(与页表长度相比)

3.若页号合法，再根据页表起始地址，页号找到对应页表项

4.根据页表项中记录的内存块号，页内偏移量得到最终的物理地址

5.访问物理内存对应的内存单元

其他小细节

页内偏移量位数与页面大小之间的关系

页式管理中的地址是唯一的

而实际应用中，通常使一个页框恰巧能放入整个页表项中

为了方便找到页表项，页表一般是放在连续的内存块中

具有快表的地址变换机构

基本地址变换机构

地址变换过程

1.算页号，页内偏移量

2.检查页号合法性

3.查页表，找到页面存放的内存块号

4.根据内存块号与内存页内偏移量得到物理地址

5.访问目标内存单元

访问一个逻辑地址的访问次数

两次访问

具有快表的地址变换机构

1.算页号，页内偏移量

2.检查页表合法性

3.查快表。若命中，即可知道页面存放的内存块号，可直接进行(5)若未命中则进行(4)

4.查页表，找到页面存放的内存块号，并且将页表项复制道快表中

5.根据内存块号与页内偏移量得到物理地址

6.访问目标内存单元

两级页表

单级页表存在的问题

所有页表必须连续存放，页表过大时需要很大连续的空间

在一段时间内并非所有页面都用得到，因此没必要让整个页表常驻内存

两级页表

将长长的页表再分页

逻辑地址结构:(一级页号，二级页号，页内偏移量)

注意几个术语：页目录表/外层页表/顶级页表

如何实现地址变换

1.按照地址结构将逻辑地址拆分为三个部分

2.从PCB中读出页目录表始址，根据一级页目录表，查找到下一级页表在存储内存中的存放位置

3.根据二级页号查表，找到最终想访问的内存块号

4.结合页内偏移量得到物理地址

几个细节

多级页表中，各级页表的大小不能超过一个页面。若两级页表不够，可以分更多级。

多级页表的访问次数(假设没有快表机构)—N级页表访问一个逻辑地址需要N+1次访问。

基本分段存储管理方式

分段

将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每段从0开始编址。

每个段在内存中占连续空间，但各段之间可以不相邻。

逻辑地址结构:(段号,段内地址)

段表

记录逻辑段到实际存储地址的映射关系

每个段对应一个段表项。各段表项长度相同，由段号(隐含)，段长，基址组成

地址变换

1.由逻辑地址得到段号，段内地址

2.段号与段表寄存器中的长度比较，检查是否越界

3.由段表始址，段号找到对应段表项

4.根据段表中记录的段长，检查段内地址是否越界

5.由段表中的“基址+段内地址”得到最终的物理地址。

6.访问目标单元。

分段VS分页

分页对用户不可见，分段对用户可见

分页对地址空间是一维的，分段的地址空间是二维的

分段更容易实现信息的共享和保护(纯代码/可重入代码可以共享)

分页(单级页表)，分段访问一个逻辑地址都需要两次/访问，其实分段存储中也可以引入快表机构

段页式管理

分段+分页

将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，再将各段分为大小相等的页面

将内存空间分为与页面大小相等的一个个内存块，系统以块为单位为进程分配内存

逻辑地址结构：(段号，页号，页内偏移量)

段表，页表

每个段对应一个段视频。各段表项长度相同，由段号(隐含)，页表长度，页表存放地址组成

每个页对应一个页表项。各页表项长度相同，由页号(隐含)，页面存放的内存块号组成

地址变换

1.由逻辑地址得到段号，页号，页内偏移量

2.段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界

3.由段表始址，段号找到对应段表项

4.根据段表中记录的页表长度，检查页号是否越界

5.由段表中的页表地址，页号得到的查询页表，找到相应的页表项

6.由页面存放的内存块号，页内偏移量得到最终的物理地址。

7.访问目标单元

访问一个逻辑地址所需要访问的次数

第一次——查段表，第二次——查页表，第三次——访问目标单元

可引入快表机构，以段号和页号为关键字查询快表，即可直接找到最终的目标页面存放位置。引入快表后仅需一次访问。

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