操作系统学习笔记第四章：存储器管理（王道考研）

本文章基于网课： 2019 王道考研操作系统
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第一章：操作系统概述
第二章：进程管理
第三章：处理机调度与死锁
后续章节陆续推出…

四、存储器管理

4.1 内存基础知识
- 4.1.1 什么是内存
- 4.1.2 程序运行原理
- 4.1.3 装入三种方式
- 4.1.4 链接的三种方式
4.2 内存管理的功能
- 4.2.1 内存空间的分配与回收
- 4.2.1 内存空间的扩充
- 4.2.3 地址转换
- 4.2.4 内存保护
4.3 连续分配管理方式
- 4.3.1 单一连续分配
- 4.3.2 固定分区分配
- 4.3.3 动态分区分配
4.4 动态分区分配算法
- 4.4.1 首次适应算法
- 4.4.2 最佳适应算法
- 4.4.3 最坏适应算法
- 4.4.4 邻近适应算法
4.5 非连续分配管理方式
- 4.5.1 分页存储管理
- -- 基本地址变换机构
- -- 具有快表的地址变换机构
- -- 两级页表
- 4.5.2 分段存储管理
- 4.5.3 段页式存储管理
4.6 内存空间扩充技术
- 4.6.1 覆盖技术
- 4.6.2 交换技术
- 4.6.3 虚拟内存
- -- 请求分页管理方式
- -- 页面置换算法
- -- 页面分配策略
4.7 磁盘的结构
- 4.7.1 磁盘、磁道、扇区
- 4.7.2 如何在磁盘中读/写数据
- 4.7.3 盘面、柱面
- 4.7.4 磁盘的物理地址
- 4.7.5 磁盘的分类
4.8 磁盘调度算法
- 4.8.1 先来先服务算法（FCFS）
- 4.8.2 最短寻找时间优先算法（SSTF）
- 4.8.3 扫描算法（SCAN）
- 4.8.4 LOOK调度算法
- 4.8.5 循环扫描算法（C-SCAN）
- 4.8.6 C-LOOK调度算法
4.9 减少延迟时间的方法
- 4.9.1 交替编号
- 4.9.2 磁盘地址结构的设计
- 4.9.3 错位命名
4.10 磁盘管理
- 4.10.1 磁盘初始化
- 4.10.2 引导块
- 4.10.3 坏块的管理

4.1 内存基础知识

4.1.1 什么是内存

内存(Memory)是计算机的重要部件之一，也称内存储器和主存储器，它用于暂时存放CPU中的运算数据，与硬盘等外部存储器交换的数据，它的输入输出速度远大于硬盘。为了缓和CPU与硬盘之间的速度差异，程序执行前必须要放在内存中才能被CPU处理

常用内存数量单位：

4.1.2 程序运行原理

当我们编写好一个程序执行时，会经过编译、链接、装入三个步骤

编译就是将我们编写好的源代码文件由编译程序编译成若干目标模块，实际就是将高级语言翻译为低级语言
链接就是在编译为目标模块后，再由链接程序将其与所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块，链接后形成完整的逻辑地址
装入又称装载，就是由装入程序将装入模块加载到内存中运行，此时会完成逻辑地址到物理地址的映射

经历上述三个步骤后，程序会被翻译成一条一条的指令，实际运行的就是这一条条的指令，指令由操作码+操作数组成，比如下图x=x+1会被翻译成三条指令，其中第一个参数为操作码，后面两个参数为操作数地址

上图中指令的操作数部门使用了变量x的实际物理地址，但通常指令中操作数的地址一般使用逻辑地址，而程序执行的第三步装入就是完成逻辑地址到物理地址映射的过程，逻辑地址和物理地址的描述如下图所示

4.1.3 装入三种方式

一个程序的执行往往通过编译–》链接–》装入三个步骤，装入过程通常完成逻辑地址到物理地址的映射，通常有以下三种方式

1️⃣ 绝对装入：编程时，直接确定内存地址

2️⃣ 静态重定位：编程时使用逻辑地址，当程序被装入内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换，以后不再转换

3️⃣ 动态重定位：编程时使用逻辑地址，在程序真正执行过程中要访问数据时再进行地址变换（即在逐条指令执行时完成地址映射。一般为了提高效率，此工作由硬件地址映射机制来完成。硬件支持，软硬件结合完成）

4.1.4 链接的三种方式

一个程序的执行往往通过编译–》链接–》装入三个步骤，链接过程将编译出的目标模块其与所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块，通常分为以下三种方式

1️⃣ 静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开

2️⃣ 动态链接：将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的方式

3️⃣ 运行时动态链接：对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时才进行的；其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享

4.2 内存管理的功能

4.2.1 内存空间的分配与回收

我们知道操作系统作为系统资源的管理者，当然也需要对内存进行管理，那么它要管些什么呢？

各种进程想要投入运行时都需要将进程所需要的数据加载到内存中，然而内存中有些区域是已经分配出去，有些区域是空闲的，那操作系统怎么管理记录哪些区域是空闲哪些是非空闲呢？
如果有新的进程想要投入内存中运行，那么该进程相关的数据需要放入内存当中，但是内存中有很地方可以进行存放，那么到底放在哪个位置呢？
如果有进程运行结束了，那么该进程占有的内存空间如何回收呢？

这些问题都是需要操作系统来负责的，因此内存管理的第一件事就是由操作系统来负责内存空间分配与回收

4.2.1 内存空间的扩充

比如电脑里装了一个60GB的游戏，按理来说游戏程序运行之前需要把60GB的数据全部加载到内存中，但是内存只有4GB，游戏是如何运行的呢？除此之外，计算机中经常会碰到内存空间不够进程使用的问题，因此进程管理的第二件事就是操作系统需要提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充，也就是虚拟技术——操作系统的虚拟性，将物理上很小的内存拓展为逻辑上很大的内存

4.2.3 地址转换

为了使编程更方便，程序员写程序时应该只需要关注指令、数据的逻辑地址。而逻辑地址到物理地址的转换（这个过程称为地址重定位）应该由操作系统负责，这样就保证了程序员写程序时不需要关注物理内存的实际情况。因此内存管理的第三件事就是操作系统提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址到物理地址的转换

实现地址转换的方法对应着三种装入方式：

绝对装入：在编译时产生绝对地址，该方式只适用于单道程序阶段（此时还没操作系统，由编译器负责）
可重定位装入：在装入时将逻辑地址转换为物理地址，由装入程序完成，装入程序是操作系统的一部分，这种方法适用于早期的多道批处理系统
动态运行装入：程序运行时才将逻辑地址转换为物理地址，此方式需要重定位寄存器，是现代操作系统采用的方式（页式存储、段式存储大量采用该方式）

4.2.4 内存保护

投入内存中运行的进程应只能访问自己进程的内存空间，如果能随便访问其他进程的内存空间，对其数据进行修改，则会影响其他进程的运行。因此内存管理的第四件事就是操作系统需要提供内存保护功能，保证各个进程在各自存储空间内运行互不干扰，只能访问自己对应的内存空间

内存保护可以采用两种方式：

方式一：在cpu中设置一对上、下限寄存器，分别用于存放进程的上下限地址。当进程1想要访问某内存单元时，CPU会根据指令当中想要访问的内存地址和上下限寄存器中的两个地址进行对比，只有在这两地址之间，才允许进程1进行访问
方式二：采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和届地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查；重定位寄存器存放进程的起始物理地址，届地址寄存器存放进程的最大逻辑地址。进程需要访问某内存单元时，首先判断待访问单元的逻辑地址是否小于届地址寄存器中的值，是的话则合法，否则越界抛出异常；合法的话会与重定位寄存器中的值相加得到实际的物理地址然后进行访问

4.3 连续分配管理方式

内存管理的第一件事就是由操作系统负责内存空间的分配与回收，具体的实现分为两种方式：连续分配管理方式和非连续分配管理方式，所谓连续分配就是指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

4.3.1 单一连续分配

4.3.2 固定分区分配

那么操作系统怎么记录各个分区空闲和分配的情况呢？通过需要建立一个分区说明表的数据结构，来实现各个分区的分配与回收

4.3.3 动态分区分配

处于固定分区分配的缺点引入了动态分区分配的方式

但是随之而来也产生了3个问题：

系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？
当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
如何进行分区的分配与回收操作？

系统会检查是否有空闲分区与回收区相邻，如果有，则修改空闲分区表/空闲分区链中相应的内容将他们合并

关于动态分区分配内存碎片的问题，动态分区分配没有内部碎片，但是有外部碎片

内部碎片，分配给某进程的内存区域中，有些部分没有用上。
外部碎片，是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。

4.4 动态分区分配算法

4.4.1 首次适应算法

4.4.2 最佳适应算法

4.4.3 最坏适应算法

4.4.4 邻近适应算法

4.5 非连续分配管理方式

对于支持多道程序的两种连续分配方式：

固定分区分配：缺乏灵活性，会产生大量的内部碎片，内存的利用率很低
动态分区分配：会产生很多的外部碎片，虽然可用紧凑技术来解决，但是会耗费很大的时间代价

基于连续分配管理方式存在的缺点，我们能不能允许将一个进程分散的装入不相邻的分区中，这样能够更高效充分的利用内存，无需再紧凑，从而引入了非连续分配管理方式，所谓非连续就是为用户进程分配的可以是一些分散的内存空间

非连续分配管理方式分为三种：基本分页存储管理、基本分段存储管理、段页式存储管理

4.5.1 分页存储管理

那么具体是怎么实现的呢？其中最重要的部分就是地址转换

那么如何计算页号和偏移量呢？对于我们而言

而对于计算机而言，为了方便计计算，页面大小一般设置为2的整数幂

因此计算机中的分页存储管理的逻辑地址结构是固定的，分为页号和页面偏移量两部分

现在我们知道了页号以及页面内部偏移量，那么怎么知道页号对应内存中的起始地址呢，这就引入了页表，用于记录进程页面和实际存放的内存块之间的关系

– 基本地址变换机构

例题：

– 具有快表的地址变换机构

具有块表的地址变换机构是基本地址变换机构根据局部性原理的改进版本，那么什么是局部性原理呢？

了解完局部性原理之后，我们来看看快表的概念

– 两级页表

1️⃣ 单级页表存在的问题

问题一：为了根据页号查询页表，页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框，比如这里需要专本给进程分配2^10连续的页框来存放页表
问题二：没有必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面

2️⃣ 问题一解决方案：两级页表

3️⃣ 问题二解决方案

4️⃣ 需要注意的细节

4.5.2 分段存储管理

在内存的系统区当中，存在着许多用于管理软硬件系统资源的数据结构，比如PCB，当一个进程要上处理机运行之前，进程切换相关的内核程序会将进程的运行环境恢复，其中包含一个很重要的硬件寄存器——段表寄存器，其中存放段表地址和段表长度。因此段表地址和段表长度在进程还没有上处理机运行的时候存放在PCB中，被运行后存放在段表寄存器中。

当一个进程需要访问某逻辑单元的过程如下图所示：

分页和分段的对比：

两者的最大区别是分页中每个页面的长度是相同的，不需要对页面偏移量进行越界检查，而分段每个段的长度是不同的，一定要对段内偏移量与段长对比进行越界检查

4.5.3 段页式存储管理

4.6 内存空间扩充技术

操作系统内存管理的第二件事就是对内存空间进行扩充，具体有三种技术实现，分别是覆盖技术、交换技术、虚拟存储技术

4.6.1 覆盖技术

早期的计算机内存很小，比如IBM推出的第一台PC机最大只支持1MB大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题

4.6.2 交换技术

随之而来有三个问题

4.6.3 虚拟内存

虚拟技术的提出基于局部性原理

– 请求分页管理方式

请求分页管理方式是在基本分页管理方式基础上进行拓展而实现的虚拟内存管理技术

– 页面置换算法

最佳置换算法可以保证最低的缺页率，但实际上，只有在进程执行的过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法ᨀ前预判页面访问序列。因此，最佳置换算法是无法实现的。

– 页面分配策略

4.7 磁盘的结构

4.7.1 磁盘、磁道、扇区

4.7.2 如何在磁盘中读/写数据

4.7.3 盘面、柱面

4.7.4 磁盘的物理地址

4.7.5 磁盘的分类

4.8 磁盘调度算法

我们一般通过一次磁盘读写操作的时间衡量磁盘性能由，一次磁盘读写操作的时间由寻找（寻道）时间、延迟时间和传输时间决定

磁盘调度算法对一次磁盘读/写操作需要的时间有很大的影响，因此要选择合适的磁盘调度算法对磁盘的整体性能有很大的影响，常见的磁盘调度算法如下图所示：

4.8.1 先来先服务算法（FCFS）

4.8.2 最短寻找时间优先算法（SSTF）

4.8.3 扫描算法（SCAN）

4.8.4 LOOK调度算法

解决了扫描算法的第一个缺点：

4.8.5 循环扫描算法（C-SCAN）

解决了扫描算法的第二个缺点：

4.8.6 C-LOOK调度算法

4.9 减少延迟时间的方法

4.9.1 交替编号

4.9.2 磁盘地址结构的设计

4.9.3 错位命名

4.10 磁盘管理

4.10.1 磁盘初始化

4.10.2 引导块

4.10.3 坏块的管理