031-存储管理基础

基本概念

• 物理地址：CPU 访存时使用的地址

• 逻辑地址：相对地址，用户编程所用的地址空间

  • 一维逻辑地址

  • 二维逻辑地址：段号 + 段内地址

• 段式程序设计：将程序分为代码段、数据段、堆栈段

  • 按需调入段，节约内存，扩充主存

• 主存复用

  • 分区复用

    • 固定/可变尺寸

    • 一个程序（段）占用一个分区

    • 寻址：起始地址 + 偏移量

  • 分页

    • 固定尺寸

    • 一个程序占多个页

    • 通过页表进行映射

• 存储管理模式

  • 单连续存储管理：一维地址

  • 段式存储管理：二维地址，查段表

  • 页式存储管理：一维地址，查页表（现代操作系统多采用）

  • 段页式存储管理：二维地址，查段表和页表

功能

• 地址转换：逻辑地址 -> 物理地址

  • 静态重定位：在程序进入内存时转换

  • 动态重定位：在程序运行时转换

• 分配/去配

• 主存空间共享

  • 多个进程共享主存资源

  • 多个进程共享主存的某些区域

• 存储保护：防止干扰

  • 私有主存区：可读可写

  • 公共区：根据授权

  • 非本进程区：不可读写

  • 软硬件协同完成，不允许时产生地址保护异常，交 OS 处理

• 主存扩充

  • 交换：调出不运行的进程

  • 虚拟：只调入进程部分内容

  • 软硬件协同完成，当 CPU 访问不在主存中的地址时，产生缺页异常，交 OS 调入并重新执行

• 缺页异常：访问的页面不在主存中

• 虚拟地址异常：访问的地址不在虚拟地址空间中（越界非法访问）

• 所以 PPT 又在扯淡

存储器逻辑层次

• Cache：高速存储器 + 联想存储器 + 地址转换部件 + 替换逻辑

  • 联想存储器：CAM，通过内容反查存储地址，用于 Cache 中检测命中

  • L1：内置，分离数据和指令

  • L2：内置或外置

  • L3：外置，总线改善较设置 L3 更能提升性能

• 虚拟存储器

  • 基本思想：请求分页，随用随调，主存不足时调出

  • 硬件完成的部分：动态重定位（将虚拟地址转换为物理地址）、存储保护、虚拟地址中断、页面替换

地址转换的硬件支撑

单连续分区存储管理

• 每个进程占用物理上完全连续的存储区域

单用户连续分区存储管理

• 主存划分为系统区和用户区

• 栅栏寄存器：区分两块区域，进行存储保护

• 静态重定位，硬件实现代价低

• 适用于单用户单任务操作系统（如 DOS）

固定分区存储管理

• 支持多个分区

• 分区数量、大小固定

• 静态重定位，硬件实现代价低

• 早期 OS 采用

• 维护主存分配表：分区号|起始地址|长度|占用标志

固定分区存储管理

可变分区存储管理

• 固定分区下内存存在浪费

• 可变分区：根据进程需求动态划分

• 创建进程时查看是否有足够的空闲分区

  • 若有：分配

  • 若无：等待释放

• 主存分配表：已分配区情况表&空闲区情况表，起址|长度|标志

内存分配算法

• 最先适应 First Fit：从头开始，找到第一个满足条件的分区

• 邻近适应 Next Fit：从上次分配的分区开始，找到第一个满足条件的分区

• 最优适应 Best Fit：从头开始，找到最小的满足条件的分区

• 最差适应 Worst Fit：从头开始，找到最大的满足条件的分区

内存零头

• 内存内零头：固定分区

• 内存外零头：可变分区，在分配中产生不可用的小分区

• 最优适应算法：最容易产生内存外零头

• 任何算法都可能产生内存外零头