操作系统笔记整理6——存储器管理（1）
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参考书籍：《计算机操作系统》第四版 汤小丹等编著
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存储器的层次结构
程序的装入和链接
一个用户源程序要变为在内存中可执行的程序，通常要进行以下处理：
编译：由编译程序将用户源程序编译成若干个目标模块
链接：由链接程序将目标模块和相应的库函数链接成装入模块
装入：由装入程序将装入模块装入内存
根据链接时间的不同，程序的链接可分为：静态链接、装入时动态链接和运行时动态链接
可重定位装入方式
事先不知用户 程序在内存的驻留位置，装入程序在装入时根据内存的实际情况把相 对地址（逻辑地址）转换为绝对地址，装入到适当的位置。（在装入 时进行地址转换）
静态重定位
- 当用户程序被装入内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换，以后 不再转换。
- 一般在装入内存时由软件完成。
动态重定位
- 在程序运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（寄存器）支持，软硬件结合完成。
连续分配存储管理方式
连续分配方式（分区技术）：指为一个用户程序分配一片连续的内存空间
静态分区：作业装入时一次完成，分区大小和边界在运行时不能改变
动态分区：根据作业大小动态地建立分区，分区的大小、数目可变。
- 单一连续分区分配（静态分区技术）：仅用于单用户单任务系统
- 固定分区分配（静态分区技术）：可用于多道系统
- 动态分区分配（动态分区技术）
- 动态可重定位分区分配（动态分区技术）：引入了动态重定位和内存紧凑技术
- 伙伴系统（动态分区技术）
单一连续分区分配
内存管理方法：将内存分为系统区（内存低端，分配给OS用）和用户区（内存高端，分配给用户用）。
采用静态分配方式，即作业一旦进入内存，就要等待它运行结束后才能释放内存
只能用于单用户、单任务的OS中，内存中只装入一道作业运行
一个容量为256KB的内存，操作系统占用32KB，剩下224KB全部分配给用户作业，如果一个作业仅需64KB，那么就有160KB的存储空间被浪费。
固定分区分配方式
最早使用的一种可运行多道程序的存储管理方法
存储管理方法：将内存空间划分为若干个固定大小的分区，除OS占一区外，其余的一个分区装入一道程序。分区的大小可以相等，也可以不等，但事先必须确定，运行时不能改变。即分区的大小及边界在运行时不能改变
系统需建立一张分区说明表，以记录分区号、分区大小、分区的起始地址及状态（已分配或未分配）
当用户程序要装入内存时，通常将分区按大小进行排队，由内存分配程序检索分区说明表，找出一个满足要求的尚未分配的分区分配该程序
动态分区分配方式
存储管理方法：内存不是预先划分好的，作业装入时，根据作业的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。若有足够的空间，则按需要分割一部分分区给该进程；否则令其等待内存空间
动态分区分配中的数据结构
空闲分区表：用来登记系统中的空闲分区（分区号、分区起始地址、分区大小及状态）
空闲分区链：
前、后向链接指针用于把所有的空闲分区链接成一个双向链。当分区被分配出去以后， 前、后向指针无意义。
状态位 0：未分配
状态位 1：已分配
分区分配操作
分配内存
事先规定size是不再切割的剩余分区的大小
设请求的分区大小为u.size，空闲分区的大小为m.size
若m.size-u.size≤size说明多余部分太小，可不再切割，将整个分区分配给请求者
否则，便从该分区中安请求的大小划分出一块内存空间分配出去，余下的部分仍留在空闲分区链（表）中。
回收内存
回收分区上邻接一个空闲分区，合并后首地址为空闲分区的首地址，大小为二者之和
回收分区下邻接一个空闲分区，合并后首地址为回收分区的首地址，大小为二者之和
回收分区上下邻接空闲分区，合并后首地址为上空闲分区的首地址，大小为三者之和
回收分区不邻接空闲分区，这时在空闲分区表中新建一表项，并填写分区大小等信息
动态分区分配方法
基于顺序搜索的动态分区分配算法
按照一定的分配算法从空闲分区表（链）中选出一个满足作业需求的分区分割，一部分分配给作业，剩下的部分仍然留在空闲分区表（链）中，同时修改空闲分区表（链）中相应的信息。
首次适应算法
空闲分区链按地址递增的次序排列
在进行内存分配时，从空闲分区表/链首开始顺序查找，直到找到第一个满足其大小要求的空闲分区为止，然后再按照作业大小，从该分区中划出一块内存空间分配给请求者，余下的空闲分区仍留在空闲分区表中
例题
系统中的空闲分区表如下表示，现有三个作业分配申请内存空间100K、30K及7K，给出按首次适应算法的内存分配情况及分配后空闲分区表。
按首次适应算法，申请作业 100k，分配 3 号分区，剩下分区为 20k，起始地址 160K ；申请 作业 30k，分配 1 号分区，剩下分区为 2k，起始地址 50K ；申请作业 7k，分配 2 号分区， 剩下分区为 1k，起始地址 59K。
特点：优先利用内存低地址部分的空闲分区。但由于低地址部分不断被划分，留下许多难以利用的很小的空闲分区（碎片或零头），而每次查找又都是从低地址部分开始，增加了查找可用空闲分区的开销。
循环首次适应算法
与首次适应算法类似，只不过不再每次从空闲分区表/链首开始查找，而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到第一个能满足其大小要求的空闲分区为止。
最佳适应算法
空闲分区表/链按容量大小递增的次序排列。在进行内存分配时，从空闲分区表/链首开始顺序查找，直到找到第一个满足其大小要求的空闲分区为止。
注意分配完后要按容量递增的顺序重新排列
特点：最佳适应算法往往使剩下的空闲分区非常小，从而在存储器中留下许多难以利用的小空闲区（碎片）
最坏适应算法
空闲分区表/链按容量大小递减的次序排列。在进行内存分配时，从空闲分区表/链首开始顺序查找，直到找到第一个满足其大小要求的空闲分区为止。
特点：由于最大的空闲分区总是因首先分配而划分，当有大作业到来时，其存储空间的申请往往会得不到满足
基于索引搜索的动态分区分配算法
基于顺序搜索的动态分区分配算法一般只适合于较小的系统，如果系统的分区很多，空闲分区表（链）可能很大（很长），检索速度会比较慢。为了提高搜索空闲分区的速度，大中型系统采用了基于索引搜索的动态分区分配算法
快速适应算法
快速适应算法，又称为分类搜索法，把空闲分区按容量大小进行分类， 经常用到长度的空闲区设立单独的空闲区链表。系统为多个空闲链表设 立一张管理索引表。
在查找时，仅需要根据进程的长度，寻找到能容纳它的最小空闲区链表，取下第一块进行分配即可
该算法在分配时，不会对任何分区产生分割
在分配空闲分区时是以进程为单位，一个分区只属于一个进程，存在一定的浪费。空间换时间。
伙伴系统
伙伴系统是介于固定分区与可变分区之间的动态分区技术
伙伴：在分配存储块时将一个大的存储块分裂成两个大小相等的小块，这两个小块就称为“伙伴”
伙伴系统规定，无论已分配分区或空闲分区，其大小均为 2 的 k 次幂，k 为整数，n ≤ k ≤ m，其中：2^n^ 表示分配的最小分区的大小，2^m^ 表示分配的最大分区的大小，通常2^m^是整个可分配内存的大小。
内存管理模块保持有多个空闲块链表，空闲块的大小可以为 2，4，8，…，2^m^ 字节。
对于 1M 的内存，空闲块的大小最多有20种不同的取值
内存分配
- 系统初启时，只有一个最大的空闲块（整个内存）
- 当一个长度为n的进程申请内存时，就分给它一个大于等于n的最小的2次幂的空闲块
- 如果2^i-1^<n≤2^i^,则在空闲分区大小为2^i^的空闲分区链表中查找，如50KB的内存请求，会首先向上取整转化为一个64KB的请求
- 若找到2^i^的空闲分区，则将其分配给进程，否则，在分区大小为2^i+1^的空闲分区链表中寻找
- 若存在2^i+1^的空闲分区，则把该分区分为相等的两个分区，这两个分区称为一对伙伴，其中的一个分区用于分配，另一个加入2^i^的空闲分区链表中
- 若2^i+1^也不存在，则查找2^i+2^的空闲分区，若找到对其进行两次分割，若仍然找不到则继续查找2^i+3^的空闲分区，以此类推。
内存释放
首先考虑将被释放块与其伙伴合并成一个大的空闲块，然后继续合并下去，直到不能合并为止
如果有两个存储块大小相同，地址也相邻，但不是由同一个大块分裂出来（不是伙伴），则不会被合并起来。
哈希算法
上述的分类搜索算法和伙伴系统算法中，都是将空闲分区根据分区大小进行分类，对于每一类具有相同大小的空闲分区，单独设立一个空闲分区链表。
哈希算法：构造一张以空闲分区大小为关键字的哈希表，该表的每一个 表项记录了一个对应的空闲分区链表表头指针
进行空闲分区分配时，根据所需空闲分区大小，通过哈希函数得到在哈 希表中的位置，从中得到相应的空闲分区链表的表头指针。
系统中的碎片
内部碎片：指分配给作业的存储空间中未被利用的部分，如固定分区中存在的碎片
外部碎片：指系统中无法利用的小的空闲分区。如分区与分区之间存在的碎片。这些不连续的区间就是外部碎片。
动态可重定位分区分配
紧凑技术
通过移动作业把多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法
目标：消除外部碎片，使本来分散的多个小空闲分区连成一个大的空闲区
紧凑时机：找不到足够大的空闲分区且总空闲分区容量可以满足作业要求时
动态重定位
作业在内存中的位置发生了变化，必须对其地址加以修改或变换
动态可重定位分区分配算法
在分区存储管理方式中，必须把作业装入到一片连续的内存空间。如果系统中有若干个小的分区，其总容量大于要装入的作业，但由于它们不相邻接，也将致使作业不能装入内存。
动态可重定位分区分配相当于引入了动态重定位和内存紧凑技术的动态分区分配
操作系统笔记整理6——存储器管理（1）
