操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識

什么是內(nèi)存管理？總的來說系統(tǒng)內(nèi)存管理包括物理內(nèi)存管理和虛擬內(nèi)存管理。這里給大家分享一些關(guān)于操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識，希望對大家能有所幫助。

物理內(nèi)存管理概述:

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)存空間的分配與回收

內(nèi)存空間的擴(kuò)展：操作系統(tǒng)需要提供某種技術(shù)從邏輯上對內(nèi)存空間進(jìn)行擴(kuò)充

操作系統(tǒng)需要提供地址轉(zhuǎn)換功能，負(fù)責(zé)程序的邏輯地址與物理地 址的轉(zhuǎn)換

操作系統(tǒng)需要提供內(nèi)存保護(hù)功能。保證各進(jìn)程在各自存儲空間內(nèi) 運(yùn)行，互不干擾

內(nèi)存空間的擴(kuò)展:

覆蓋技術(shù):將程序分為多個段(多個模塊)。 常用的段常駐內(nèi)存，不常用的段在需要時調(diào)入內(nèi)存。內(nèi)存中分為一個“固定區(qū)”和若干個“覆蓋區(qū)”。 需要常駐內(nèi)存的段放在“固定區(qū)”中，調(diào)入后就不再 調(diào)出(除非運(yùn)行結(jié)束) 不常用的段放在“覆蓋區(qū)”，需要用到時調(diào)入內(nèi)存， 用不到時調(diào)出內(nèi)存。

交換技術(shù)：交換(對換)技術(shù)的設(shè)計(jì)思想：內(nèi)存空間緊張時，系統(tǒng)將內(nèi)存中某些進(jìn)程暫時換出外存，把外存中 某些已具備運(yùn)行條件的進(jìn)程換入內(nèi)存(進(jìn)程在內(nèi)存與磁盤間動態(tài)調(diào)度)

于操作系統(tǒng)內(nèi)存管理知識，希望對大家能有所幫助。

非連續(xù)分配管理方式

連續(xù)分配：為用戶進(jìn)程分配的必須是一個連續(xù)的內(nèi)存空間。

非連續(xù)分配：為用戶進(jìn)程分配的可以是一些分散的內(nèi)存空間。

什么是分頁存儲：

將內(nèi)存空間分為一個個大小相等的分區(qū)(比如：每個分區(qū)4KB)，每個分區(qū)就是一個“頁框”(頁框=頁幀=內(nèi)存塊=物理 塊=物理頁面)。每個頁框有一個編號，即“頁框號”(頁框 號=頁幀號=內(nèi)存塊號=物理塊號=物理頁號)，頁框號從0開始。

將進(jìn)程的邏輯地址空間也分為與頁框大小相等的一個個部分， 每個部分稱為一個“頁”或“頁面” 。每個頁面也有一個編號， 即“頁號”，頁號也是從0開始。

操作系統(tǒng)以頁框?yàn)閱挝粸楦鱾€進(jìn)程分配內(nèi)存空間。進(jìn)程的每個頁面分別放入一個頁框中。也就是說，進(jìn)程的頁面與內(nèi)存的頁 框有一一對應(yīng)的關(guān)系。 各個頁面不必連續(xù)存放，可以放到不相鄰的各個頁框中。

(注：進(jìn)程的最后一個頁面可能沒有一個頁框那么大。也就是 說，分頁存儲有可能產(chǎn)生內(nèi)部碎片，因此頁框不能太大，否則 可能產(chǎn)生過大的內(nèi)部碎片造成浪費(fèi))

具有快表的地址變換機(jī) 構(gòu)：

快表，又稱聯(lián)想寄存器(TLB， translation lookaside buffer )，是一種訪問速度比內(nèi)存快很多的高速緩存(TLB不是內(nèi)存!)，用來存放最近訪問的頁表項(xiàng)的副本，可以加速地址變換的速度。 與此對應(yīng)，內(nèi)存中的頁表常稱為慢表。

引入快表后，地址的變換過程：

① CPU給出邏輯地址，由某個硬件算得頁號、頁內(nèi)偏移量，將頁號與快表中的所有頁號進(jìn)行比較。

② 如果找到匹配的頁號，說明要訪問的頁表項(xiàng)在快表中有副本，則直接從中取出該頁對應(yīng)的內(nèi)存塊 號，再將內(nèi)存塊號與頁內(nèi)偏移量拼接形成物理地址，最后，訪問該物理地址對應(yīng)的內(nèi)存單元。因此， 若快表命中，則訪問某個邏輯地址僅需一次訪存即可。

③ 如果沒有找到匹配的頁號，則需要訪問內(nèi)存中的頁表，找到對應(yīng)頁表項(xiàng)，得到頁面存放的內(nèi)存塊 號，再將內(nèi)存塊號與頁內(nèi)偏移量拼接形成物理地址，最后，訪問該物理地址對應(yīng)的內(nèi)存單元。因此， 若快表未命中，則訪問某個邏輯地址需要兩次訪存(注意：在找到頁表項(xiàng)后，應(yīng)同時將其存入快表， 以便后面可能的再次訪問。但若快表已滿，則必須按照一定的算法對舊的頁表項(xiàng)進(jìn)行替換)

局部性原理:

時間局部性：如果執(zhí)行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很 有可能再次執(zhí)行;如果某個數(shù)據(jù)被訪問過，不久之后該數(shù)據(jù)很可能再 次被訪問。(因?yàn)槌绦蛑写嬖诖罅康难h(huán))

空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的 存儲單元也很有可能被訪問。(因?yàn)楹芏鄶?shù)據(jù)在內(nèi)存中都是連續(xù)存放 的)

分段存儲管理方式:

進(jìn)程的地址空間：按照程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個段，每個段都有一個段名(在低級語言 中，程序員使用段名來編程)，每段從0開始編址 內(nèi)存分配規(guī)則：以段為單位進(jìn)行分配，每個段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間，但各段之間可以不相鄰。

分段、分頁管理的對比：

頁是信息的物理單位。分頁的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)離散分配，提高內(nèi)存利用率。分頁僅僅是系統(tǒng)管 理上的需要，完全是系統(tǒng)行為，對用戶是不可見的。

段是信息的邏輯單位。分段的主要目的是更好地滿足用戶需求。一個段通常包含著一組屬于一個邏輯模塊的信息。分段對用戶是可見的，用戶編程時需要顯式地給出段名。

頁的大小固定且由系統(tǒng)決定。段的長度卻不固定，決定于用戶編寫的程序。

分頁的用戶進(jìn)程地址空間是一維的，程序員只需給出一個記憶符即可表示一個地址。

分段的用戶進(jìn)程地址空間是二維的，程序員在標(biāo)識一個地址時，既要給出段名，也要給出段內(nèi)地址。

分段比分頁更容易實(shí)現(xiàn)信息的共享和保護(hù)。不能被修改的代碼稱為純代碼或可重入代碼(不屬于臨 界資源)，這樣的代碼是可以共享的。可修改的代碼是不能共享的。

虛擬內(nèi)存管理

傳統(tǒng)存儲管理方式的特征、缺點(diǎn)：

一次性：作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運(yùn)行。這會造成兩個問題：

①作業(yè)很大時，不能全 部裝入內(nèi)存，導(dǎo)致大作業(yè)無法運(yùn)行;

②當(dāng)大量作業(yè)要求運(yùn)行時，由于內(nèi)存無法容納所有作業(yè)，因此只 有少量作業(yè)能運(yùn)行，導(dǎo)致多道程序并發(fā)度下降。

駐留性：一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直駐留在內(nèi)存中，直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。事實(shí)上，在一個時間段 內(nèi)，只需要訪問作業(yè)的一小部分?jǐn)?shù)據(jù)即可正常運(yùn)行，這就導(dǎo)致了內(nèi)存中會駐留大量的、暫時用不到的 數(shù)據(jù)，浪費(fèi)了寶貴的內(nèi)存資源。

虛擬內(nèi)存的定義和特征:

基于局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快 會用到的部分裝入內(nèi)存，暫時用不到的部分留在外存， 就可以讓程序開始執(zhí)行。

在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時，由 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù) 執(zhí)行程序。

若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將內(nèi)存中暫時用不 到的信息換出到外存。

在操作系統(tǒng)的管理下，在用戶看來似乎有一個比實(shí)際 內(nèi)存大得多的內(nèi)存，這就是虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存有三個主要特征：

多次性：無需在作業(yè)運(yùn)行時一次性全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存。

對換性：在作業(yè)運(yùn)行時無需一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)運(yùn)行過程中，將作業(yè)換 入、換出。

虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存的容量，使用戶看到的內(nèi)存容量，遠(yuǎn)大于實(shí)際的容量。

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