软件工程-基础课程-操作系统_内存管理.docx

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操作系统内存管理基础

1内存的基本概念

内存，也称为RAM（随机存取存储器），是计算机系统中用于存储正在运行的程序和数据的硬件。它是一种易失性存储器，意味着当电源关闭时，存储在内存中的信息将丢失。内存管理是操作系统的核心功能之一，它负责分配和回收内存资源，确保多个程序可以同时运行而不互相干扰。

1.1内存的分类

物理内存：直接与CPU交互的内存，由RAM芯片组成。

虚拟内存：通过硬盘空间模拟的内存，当物理内存不足时，操作系统会将一部分不常用的数据和程序移动到虚拟内存中。

1.2内存的地址空间

逻辑地址：程序在编译时使用的地址，与物理地址无关。

物理地址：CPU实际访问内存时使用的地址。

2内存管理的目标与挑战

内存管理的目标是高效、公平地分配内存资源，同时确保系统的稳定性和安全性。这包括：

内存分配：为进程分配必要的内存空间。

内存回收：当进程不再需要内存时，回收这部分内存供其他进程使用。

内存保护：防止一个进程访问另一个进程的内存空间，确保数据安全。

内存共享：允许多个进程共享相同的内存区域，以提高资源利用率。

2.1挑战

内存碎片：长期的分配和回收操作会导致内存空间被分割成许多小块，使得即使有足够的总内存，也可能无法为大块的请求分配连续的内存空间。

内存访问冲突：多个进程同时请求访问同一内存区域，可能导致数据损坏或系统崩溃。

内存泄漏：进程分配的内存没有被及时回收，导致可用内存逐渐减少。

3内存管理技术示例：分页

分页是内存管理中的一种技术，它将内存和进程的地址空间分割成固定大小的页面，通常为4KB。每个页面都有一个唯一的编号，称为页号。操作系统使用页表来跟踪每个页面在物理内存中的位置。

3.1页表示例

假设我们有一个简单的页表，其中包含三个页面的映射信息。页面大小为4KB，即每个页面可以存储4096字节的数据。

#页表示例

classPageTable:

def__init__(self):

self.page_table={}

defmap_page(self,page_number,physical_address):

将逻辑页号映射到物理地址

self.page_table[page_number]=physical_address

defget_physical_address(self,page_number):

根据逻辑页号获取物理地址

returnself.page_table.get(page_number,None)

#创建页表实例

page_table=PageTable()

#映射逻辑页号到物理地址

page_table.map_page(0,4096)#逻辑页号0映射到物理地址4096

page_table.map_page(1,8192)#逻辑页号1映射到物理地址8192

page_table.map_page(2,12288)#逻辑页号2映射到物理地址12288

#获取物理地址

print(page_table.get_physical_address(1))#输出:8192

3.2分页算法示例

分页算法需要处理页面的分配和回收。以下是一个简单的示例，展示如何使用分页算法为进程分配内存。

classMemoryManager:

def__init__(self,total_pages):

self.total_pages=total_pages

self.free_pages=list(range(total_pages))

self.page_table={}

defallocate_pages(self,num_pages):

为进程分配指定数量的页面

iflen(self.free_pages)=num_pages:

allocated_pages=self.free_pages[:num_pages]

self.free_pages=self.free_pages[num_pages:]

returnallocated_pages

else:

returnNone

defdeallocate_pages(self,pages):

回收进程不再需要的页面

self