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四川大学计算机学院操作系统内存管理第1页/共51页第2页/共51页内存管理四川大学计算机学院 左劼第3页/共51页提纲背景交换连续内存分配页式内存管理段式内存管理段页式内存管理第4页/共51页背景程序必须被装载到内存中，并建立一个相关进程才能执行在磁盘上等待调入内存以便执行的进程形成了输入队列用户程序在正式开始执行之前还进行了若干的动作第5页/共51页用户程序的处理步骤第6页/共51页地址绑定 – 三种方法编译期：编译阶段有编译期决定程序的内存地址。程序需要驻留在内存中的绝对位置，并且编译器要知道这个位置装载期：在程序被装入到内存的时候，有装载器决定程序的内存地址。程序是由可重定位代码构成执行期：在程序的执行过程中动态决定内存地址。一般需要硬件的支持。第7页/共51页逻辑地址和物理地址程序中使用的地址是逻辑地址，而每一个存储单元的地址则是物理地址程序所生成的所有逻辑地址的集合称为逻辑地址空间所有的物理地址的集合称为物理地址空间程序在执行过程中，如果访问内存，需要将使用的逻辑地址变换成物理地址第8页/共51页内存管理单元(MMU)内存管理单元是一个硬件设备，实现将逻辑地址映射成物理地址程序产生的所有逻辑地址都会在MMU中被加上重定位寄存器的值，变成物理地址，这个过程发生在地址被发送到内存之前用户程序只能看到逻辑地址，而不能看见物理地址第9页/共51页动态加载程序的某些子程序和数据可以驻留在磁盘上，直到被调用的时候才被加载到内存中这能让内存的使用效率更高，常用于大程序、小内存的场合这种技术并不需要操作系统的特别的支持，可以通过程序设计手段来实现第10页/共51页动态链接链接延迟到执行期间有一段小的程序(stub)来定位子程序stub用被调用的子程序来替换掉自己，并调用其进行执行操作系统需要确认被调用的子程序是否在进程的内存空间内第11页/共51页覆盖在内存中只保留当前必要的代码和数据，当需要其它的代码和数据的时候，再把它们装载进内存，覆盖掉原有的部分内容这种技术是在用户态实现的，不需要操作系统的执行，但需要较为复杂的程序设计技术。第12页/共51页覆盖的例子第13页/共51页动态重定位 第14页/共51页提纲背景交换连续内存分配页式内存管理段式内存管理段页式内存管理第15页/共51页交换 (swap)一个进程可以被临时交换出内存，存放到后备存储器，并在必要的时候重新调入内存，继续运行后备存储器是一个高速的磁盘，并且具有足够的容量，以便容纳下所有用户的所有内存映像的拷贝；它还必须提供直接映像访问方式在某些基于优先级的调度算法中，操作系统将低优先级的进程交换出内存，以便高优先级的进程的运行，而运行完毕之后，再将低优先级的进程装入内存运行，这称为滚出、滚入(roll out, roll in)几乎所有的现代操作系统都可以看到交换技术第16页/共51页交换(续)交换时间的主要部分是转移时间，即将内存写到后备存储系统，何从后备存储系统读入到内存的时间如果系统频繁发生交换，系统的运行效率将大大降低现代操作系统使用的交换多是经过改进的算法第17页/共51页交换的示意图第18页/共51页提纲背景交换连续内存分配页式内存管理段式内存管理段页式内存管理第19页/共51页硬件支持第20页/共51页连续内存分配方法主存储器分成两个部分：常驻的操作系统，通常在低地址端(可能还包含中断向量表)用户程序存储在高端的内存区域每个进程使用一个连续的内存区域：重定位寄存器模式将保护进程之间、操作系统代码不会被非法访问和修改重定位寄存器包含最低物理地址，界限寄存器存储物理地址的范围第21页/共51页OSOSOSOSprocess 5process 5process 5process 5process 9process 9process 8process 10process 2process 2process 2process 2连续内存分配 (续)多分区分配：孔(Hole)：整块可供使用的内存为每一个进程分配一块足够大的孔操作系统管理以下信息a) 已经分配的分区b) 空闲分区 (即孔)第22页/共51页动态存储分配问题在给定的孔序列中，怎样满足大小为n的请求？首次适应：分配第一个足够大小的孔最佳适应：分配最小的满足要求的孔最坏适应：分配最大的孔第23页/共51页碎片问题外部碎片(external fragmentation)：空闲内存之和可以满足请求，但它们不是连续的内部碎片(Internal fragmentation)：分配的内存比请求的内存稍微大一点，这些碎片在分区内部，但不能被使用可以通过紧缩(compaction)来减少外部碎片移动内存内容，以便所有空闲空间合并成一整块只有系统支持执行期的动态重定位，紧缩才可能发挥作用I/O 问题当进程进行I/O的时候，将