【操作系统/OS笔记04】内存分层体系、地址生成、连续内存分配概论

本次笔记内容：
3.1 计算机体系结构及内存分层体系
3.2 地址空间和地址生成
3.3 连续内存分配：内存碎片与分区的动态分配
3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理

文章目录

物理内存
- 计算机体系结构
- 内存分层体系
- 在操作系统中管理内存的不同方法
地址空间和地址生成
- 地址空间定义
- 逻辑地址生成
- 物理地址生成
连续内存分配
- 内存碎片
- - 首次适配算法
  - 最优适配算法
  - 最差适配算法
- 压缩式碎片整理（紧致算法）
- 交换式碎片整理

物理内存

计算机体系结构

主要包含CPU（完成对程序执行的控制）、内存（代码、处理数据）、外设。
内存的层次结构：
- CPU访问寄存器、cache，这两者在CPU内部，速度快、容量小，操作系统无法直接对其进行管理。
- 主存（物理内存），速度相对慢，容量大一些；
- 主存掉电，数据清空。把数据放入**磁盘（虚拟内存）**中存储。速度慢，容量大。
速度、容量不可兼得，因此需要操作系统管理。

内存分层体系

逻辑地址空间： 连续的；
物理空间： 存在隔离，为了保护独立地址空间。

图中，主存不够，P4的代码和数据被导到硬盘上去（因为不紧急）。

在操作系统中管理内存的不同方法

程序重定位
分段
分页
虚拟内存
按需分页虚拟内存

地址空间和地址生成

地址空间定义

物理地址空间和硬件直接对应
逻辑地址空间是一维线性地址空间：一个运行的程序所拥有的内存范围
物理地址和逻辑空间的映射关系需要操作系统管理。

逻辑地址生成

例：c程序通过编译、汇编、链接、载入生成程序在内存中的地址。

.c file 函数位置、变量名即逻辑地址
.s file 汇编语言中更加贴近机器语言，但是依然用符号代表变量名字
.o file 机器语言中，起始地址都是从0开始的
linker将一个项目中多个.o file变成一个单一的executable file。
executable file中，不同的.o file程序的地址在单一程序中已经有各自的定义。
executable file载入内存中，可能会有偏移量，执行。

上述是逻辑地址生成的过程。

物理地址生成

CPU根据指令，查找逻辑地址的物理地址在什么地方。
根据什么查找？MMU将逻辑地址映射到物理地址。

具体步骤：

CPU执行某条指令时，算术逻辑单元(arithmetic and logic unit, ALU)发出请求：逻辑地址；
CPU中MMU表查找逻辑地址对应的物理地址，如果没有去内存中找；
找到后，CPU控制器给主存发出情况：需要某个物理地址上的内容。
主存把内存的内容通过总线传给CPU，CPU执行。

操作系统起了什么作用？

操作系统在四步之前，要把映射建立好；
确保访问的地址空间是合法、安全的。

连续内存分配

内存碎片

无法进一步利用的空间。
外碎片： 分配单元间的碎片；
内碎片： 分配单元内没有使用的碎片。

用数据结构算法进行管理。

首次适配算法

需求：

按地址排序的空闲块列表
分配需要寻找一个合适的分区
重分配需要检查，看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区（若有）

优势：

简单
易于产生更大的空闲块，向着地址空间的结尾

劣势：

外部碎片
不确定性

最优适配算法

优势：

当大部分分配是小尺寸时非常有效
比较简单

劣势：

外部碎片
重分配慢
易产生很多没用的微小碎片

最差适配算法

优势：

分配是中等尺寸效果最好

劣势：

重分配慢
外部碎片
抑郁破碎大的空间块以致大分区无法被分配

总结：应该使用更加有效的算法进行内存分配。

压缩式碎片整理（紧致算法）

看起来很简单，但是重定位的时机、开销都需要考虑。比如运行时无法操作。

交换式碎片整理

利用起硬盘，将等待中的内存放到硬盘上。

问题为：哪些程序进行交换？开销？

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