操作系统（三十二）内存的基础常识

3.1 内存的基础常识

3.1.1 计算机的多级存储结构

3.1.2 程序的装入和链接

3.1.1 计算机的多级存储结构

对于计算机的存储结构而言一般可以分为三层：最高层为 CPU 寄存器，中间为主存（内存），最底层是辅存，如下图所示

内存：可以用来存储数据的装置，内存的主要作用是缓和高速CPU与低速外存之间的速度矛盾。为了可以将存储在内存上的数据加以区分，我们会为内存的存储单元编上地址，即内存地址。内存地址一般是从0开始的，每一个内存地址对应一个存储单元。如果计算机是按字节编址的那么一个存储单元就是一个字节记作1B即八个二进制位（8bit）。我们经常可以看到手机的内存是4GB等等，这里的4GB就是指 $4*2^{30}$ 个字节也就是 $2^{32}$ 个字节，所以这些字节就需要32位二进制数才能表示。

3.1.2 程序的装入和链接

将一个用户源程序变为可以在内存中执行的程序，一般要经过编译、链接、装入三个步骤，我们着重介绍的是装入以及链接。

1. 程序的装入：

绝对装入：在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。但是绝对装入的地址需要程序员事先提供，而且一旦程序或数据被修改后，可能要改变程序中的所有地址，十分不方便，只适用于单道程序环境。
可重定位装入（静态重定位）：编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）。静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业。作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动，也不能再申请内存空间。
动态运行时装入（动态重定位）：编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持，用它来存放程序(数据)在内存中的起始地址。程序在执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加而形成的。

当系统对内存进行了“紧凑”而使若干程序从内存的某处移至另一处时，不需对程序做任何修改，只要用该程序在内存的新起始地址，去置换原来的起始地址即可。

2.程序的链接

链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块

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连接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开。
装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式。
运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接，用不到的模块就不需要进入内存。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。