操作系统内存管理.ppt

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1、内存管理内存管理目的目的l详细描述内存硬件的各种组织方法l讨论各种内存管理技术，包括分页和分段l详细描述 Intel Pentium 芯片，它支持纯分段和带分页的分段背景背景l为了运行程序必须把程序从磁盘载入到内存l内存和寄存器是CPU唯一能直接访问的存储器l寄存器的访问时间 vs 内存的访问时间 缓存l为了确保正常运行必须保护内存l首先讨论：l符号内存地址到实际物理地址的绑定l逻辑地址与物理地址的区别l动态装载、动态链接代码及共享库 在计算机科学中，库库是用于开发软件的子程序集合。库和可执行文件可执行文件的区别是，库不是独立程序，他们是向其他程序提供服务的代码。 库链接库链接是指把一个或多个

2、库包括到程序中，有两种链接形式：静态链接静态链接和动态链接动态链接，相应的，前者链接的库叫做静态库后者的叫做动态库。l静态链接静态链接是由链接器在链接时将库的内容加入到可执行程序中的做法。链接器是一个独立程序，将一个或多个库或目标文件（先前由编译编译器器或汇编器汇编器生成）链接到一块生成可执行程序。l静态链接的最大缺点是生成的可执行文件太大，需要更多的系统资源，在装入内存时也会消耗更多的时间。l动态链接动态链接，在可执行文件装载时装载时或运行时运行时，由操作系统的装载程序装载程序加载库。大多数操作系统将解析外部引用（比如库）作为加载过程的一部分。 基地址寄存器和界限地址寄存器基地址寄存器和界限

3、地址寄存器l一个进程使用的内存地址范围是由一对基地址寄存器和界限地址寄存器来定义一个用户程序的多步骤处理一个用户程序的多步骤处理地址绑定地址绑定l地址绑定是从一个地址空间到另一个地址空间的映射l将指令与数据绑定到内存，有以下几种情况不知道驻留地址不知道驻留地址逻辑地址空间和物理地址空间逻辑地址空间和物理地址空间l逻辑地址：CPU所生成的地址 (虚拟地址)l物理地址：从内存单元所看到的地址绑定绑定内存管理单元(MMU)内存管理单元（内存管理单元（MMU）l映射虚拟地址为物理地址的硬件设备l用户进程所生成的地址在送交内存之前，都将加上重定位寄存器（基地址寄存器）的值l用户程序决不会看到真正的物理地

4、址库的链接及加载库的链接及加载l静态链接l动态链接 （dynamic link）l动态加载 （dynamic loading）动态加载动态加载l直到被调用之前，程序不会被载入到内存，即加载延迟到运行时l优点l不使用的程序不会载入到内存， 既而内存使用率高l适合用户用大量代码来操作不常发生事件时l不需要操作系统的特别支持，由程序员来设计动态链接动态链接l链接延迟到执行时l小程序, stub（存根）, 用来定位适当的内存驻留库程序，或如果该程序不在内存时应如何装入库l存根会用子程序地址来替换自己，并开始子程序l存根首先检查所需子程序是否在内存中，如果不在，就将子程序装入内存。l动态链接通常适用于系

5、统库l需要操作系统的帮助2. 交换（交换（swapping)l进程可以暂时从内存中交换到备份存储(backing store)上，当需要再次执行时再调回到内存lbacking store 通常是快速磁盘l优先级调度算法中使用l滚出（roll out）, 滚入（roll in）l交换时间l转移时间，而转移时间与交换内存空间量成正比l问：将交换出的进程再交换（调回）回来的时候，应调回哪个内存空间（编译时，加载时，执行时）连续分配连续分配l内存通常分为两个区域：一个用于驻留操作系统，常与中断向量一起放在低内存另一个用于用户进程，常放在高内存。l单分区分配方法（Single-partition all

6、ocation）重定位寄存器方案用来保护用户进程之间，用户进程与操作系统之间不会相互修改代码与数据重定位寄存器包含了最小的物理地址；界限寄存器包含了逻辑地址的范围，每个逻辑地址必须小于界限寄存器重定位和界限寄存器的硬件支持重定位和界限寄存器的硬件支持l多分区分配方法孔（Hole）：一块可用内存称为孔。不同大小的孔分布在内存的不同地方。当有新进程需要内存时，为该进程查找足够大的孔。操作系统维护的信息包括：l已分配分区l空闲分区（hole）动态存储分配问题动态存储分配问题l根据一组空闲孔来分配大小为n的请求。首次适应（First-fit）最佳适应（Best-fit）最差适应（Worst-fit）l

7、First-fit和best-fit在分配速度及存储效率上优于Worst-fit碎片（碎片（Fragmentation）l外部碎片l内部碎片l紧缩（compaction）：用来降低外部碎片移动内存内容，以便所有空闲空间合并成一整块。如果重定位是动态的，是在运行时进行的，那么就能采用紧缩l另一种可能解决外部碎片问题的方法是允许物理地址空间为非连续，这样只要有物理内存就可为进程分配。分页分段分页分页(Paging)l一个进程的物理地址可以是非连续的l将物理内存分成固定大小的块，称为帧（frame）l将逻辑内存分为同样大小的块，称为页（page）l跟踪所有的空闲帧l建立页表用来将逻辑地址转换为物理地

8、址。l内部碎片地址转换方法地址转换方法lCPU生成的地址分成以下两部分页号页号(p)：页号作为页表中的索引。页表中包含每页所在物理内存的基地址。页偏移页偏移(d)：与页的基地址组合就形成了物理地址，就可送交物理单元。地址转换体系结构地址转换体系结构逻辑内存和物理内存的分页模型逻辑内存和物理内存的分页模型分页示例分页示例空闲帧空闲帧页表的实现页表的实现l页表保存在内存中l页表基寄存器（PTBR）指向页表l页表长度寄存器（PTLR）指示页表的大小l在这种方式下，每次数据在这种方式下，每次数据/指令的访问需要访问两次内指令的访问需要访问两次内存存。一次访问页表，另一次访问数据/指令l两次内存访问问题

9、可以用特别的快速查找硬件缓冲（称为关联内存或翻译后备缓冲器）来解决。关联存储关联存储l关联内存 并行搜索当关联内存根据给定值查找时，它会同时与所有键进行比较。如果找到条目，那么就得到相应的值域l地址转换（A, A）如果A在关联寄存器中，则直接取出其对应的frame #否则从内存中的页表当中得到frame #Page # Frame #带带TLB的分页硬件的分页硬件内存保护内存保护l内存保护通过与每个帧关联有保护位来实现。可读、可写、只可读l还有一位与页表中的每一条目相关联，称为有效无有效无效位效位一个进程很少会使用其所有的地址空间。事实上，许多进程只使用一小部分可用的地址空间。如l对于14位地

10、址空间（0-16383）的系统，有一个程序，其地址空间为0-10648该位有效时表示相关的页在进程的逻辑地址空间内，因此是合法的页。该位无效时表示相关的页不在进程的逻辑地址空间内。页表中的有效无效位页表中的有效无效位页表结构页表结构l层次化分页lHash页表l反向页表层次化分页层次化分页l将逻辑地址空间分成多个页表l一种简单的方法是两层分页法两层分页方法实例两层分页方法实例l逻辑地址（32位机器，页大小为4K）分成以下两部分：页号（20位）页偏移（12位）l页表又分成页，所以页号又进一步分成：10位页号10位页偏移l因此，逻辑地址表示如下两级页表方法示意两级页表方法示意地址转换方法地址转换方法

11、Hash页表页表l处理超过32位地址空间的常用方法是使用Hash页表。l虚拟地址中的虚拟页号被放入hash页表中。hash页表的每一条目都包括一个链接组的元素，这些元素hash成同一位置（碰撞）。l虚拟页号与链表中的每 一个元素的第一个域相比较。如果匹配，那么对应的帧码就用来形成位置地址。如果不匹配，那么就对链表中的下一个域进行页码比较。Hash页表实例页表实例反向页表反向页表l反向页表对于每个真正的内存页或帧才有一个条目。l每个条目包含保存在真正内存位置的页的虚拟地址，以及拥有该页的进程的信息。l虽然这种方案减低了存储每个页表所需要的内存空间，但是当引用页时它增加了查找页表所需要的时间。l可

12、使用hash表来减少查找的次数反向页表结构反向页表结构共享页共享页l共享代码可以在进程之间共享共同代码（只读的，可重入的）（如文本编辑器、编译器、Windows系统）共享代码必须出现在所有进程逻辑地址的同一位置l私有代码和数据每个进程保留了代码与数据的独立的拷贝私有代码和数据页可以出现在逻辑地址空间的任何地方。共享分页实例共享分页实例分段分段l支持用户观点的内存管理方法l程序是若干段的集合主程序子程序函数方法对象局部变量，全局变量堆栈符号表，数组用户角度的程序用户角度的程序段的逻辑视角段的逻辑视角段的体系结构段的体系结构l逻辑地址由两个元素组成l段表：将二维的用户定义地址映射为一维物理地址。段表的每个条目都有段基地址和段界限。基地址：包含段的起始地址界限：指定段的长度l段表基地址寄存器（STBR）指向内存中的段表的位置l段表长度寄存器（STLR）指示程序所用的段的个数段号S小于STLR的时候才是有效的 段硬件段硬件分段实例分段实例段共享段共享问题问题l外部碎片带分页的分段带分页的分段lMULTICS采用带分页的分段方法来解决外部碎片的问题 l与纯粹的分段式内存管理不同，段表的条目包含的不是段的基地址，而是该段的页表的基地址