一、概述

二、操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)資源的管理者，當(dāng)然也需要對內(nèi)存進(jìn)行管理，要管些什么呢？

1. 內(nèi)存空間的分配與回收

連續(xù)分配：指為用戶進(jìn)程分配的必須是一個連續(xù)的內(nèi)存空間。

1. 單一連續(xù)分配

在單一連續(xù)分配方式中，內(nèi)存被分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。系統(tǒng)區(qū)通常位于內(nèi)存的低地址部分，用于存放操作系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)；用戶區(qū)用于存放用戶進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)。
內(nèi)存中只能有一道用戶程序，用戶程序獨(dú)占整個用戶區(qū)空間。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單；無外部碎片；可以采用覆蓋技術(shù)擴(kuò)充內(nèi)存；不一定需要采取內(nèi)存保護(hù)（eg：早期的PC操作系統(tǒng)MS-DOS）。
缺點(diǎn)：只能用于單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)中；有內(nèi)部碎片；存儲器利用率極低。
（分配給某進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域中，如果有些部分沒有用上，這部分就是“內(nèi)部碎片”）

2. 固定分區(qū)分配

20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了支持多道程序的系統(tǒng)，為了能在內(nèi)存中裝入多道程序，且這些程序之間又不會相互干擾，于是將整個用戶空間劃分為若干個固定大小的分區(qū)，在每個分區(qū)中只裝入一道作業(yè)，這樣就形成了最早的、最簡單的一種可運(yùn)行多道程序的內(nèi)存管理方式。

1）分區(qū)大小相等：缺乏靈活性，但是很適合用于用一臺計算機(jī)控制多個相同對象的場合（比如：鋼鐵廠有n個相同的煉鋼爐，就可把內(nèi)存分為n個大小相等的區(qū)域存放n個煉鋼爐控制程序）
2）分區(qū)大小不等：增加了靈活性，可以滿足不同大小的進(jìn)程需求。根據(jù)常在系統(tǒng)中運(yùn)行的作業(yè)大小情況進(jìn)行劃分（比如：劃分多個小分區(qū)、適量中等分區(qū)、少量大分區(qū)）

操作系統(tǒng)需要建立一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——分區(qū)說明表，來實(shí)現(xiàn)各個分區(qū)的分配與回收。每個表項(xiàng)對應(yīng)一個分區(qū)，通常按分區(qū)大小排列。每個表項(xiàng)包括對應(yīng)分區(qū)的大小、起始地址、狀態(tài)（是否已分配）。

當(dāng)某用戶程序要裝入內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)內(nèi)核程序根據(jù)用戶程序大小檢索該表，從中找到一個能滿足大小的、未分配的分區(qū)，將之分配給該程序，然后修改狀態(tài)為“已分配”。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單，無外部碎片。
缺點(diǎn)：
a.當(dāng)用戶程序太大時，可能所有的分區(qū)都不能滿足需求，此時不得不采用覆蓋技術(shù)來解決，但這又會降低性能；
b.會產(chǎn)生內(nèi)部碎片，內(nèi)存利用率低。

3. 動態(tài)分區(qū)分配

動態(tài)分區(qū)分配又稱為可變分區(qū)分配。這種分配方式不會預(yù)先劃分內(nèi)存分區(qū)，而是在進(jìn)程裝入內(nèi)存時，根據(jù)進(jìn)程的大小動態(tài)地建立分區(qū)，并使分區(qū)的大小正好適合進(jìn)程的需要。因此系統(tǒng)分區(qū)的大小和數(shù)目是可變的。（eg：假設(shè)某計算機(jī)內(nèi)存大小為64MB，系統(tǒng)區(qū)8MB，用戶區(qū)共56MB…）
問題：
1.系統(tǒng)要用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄內(nèi)存的使用情況？

2.當(dāng)很多個空閑分區(qū)都能滿足需求時，應(yīng)該選擇哪個分區(qū)進(jìn)行分配？

3.如何進(jìn)行分區(qū)的分配與回收操作？

• 情況一：回收區(qū)的后面有一個相鄰的空閑分區(qū)：兩個相鄰的空閑分區(qū)合并為一個
  
  
• 情況二：回收區(qū)的前面有一個相鄰的空閑分區(qū)：兩個相鄰的空閑分區(qū)合并為一個
  
  
• 情況三：回收區(qū)的前、后各有一個相鄰的空閑分區(qū)：三個相鄰的空閑分區(qū)合并為一個
  
  
• 情況四：回收區(qū)的前、后都沒有相鄰的空閑分區(qū)：新增一個表項(xiàng)
  
  
  動態(tài)分區(qū)分配沒有內(nèi)部碎片，但是有外部碎片。
  內(nèi)部碎片：分配給某進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域中，存在有些部分沒有用上。
  外部碎片：是指內(nèi)存中的某些空閑分區(qū)由于太小而難以被利用。
  
  如上圖，如果內(nèi)存中空閑空間的總和本來可以滿足某進(jìn)程的要求，但由于進(jìn)程需要的是一整塊連續(xù)的內(nèi)存空間，因此這些“碎片”不能滿足進(jìn)程的需求。可以通過緊湊（拼湊，Compaction）技術(shù)來解決外部碎片。
  問題：

回憶交換技術(shù)，什么是換入/換出？什么是中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）？
答：
內(nèi)存空間緊張時，系統(tǒng)將內(nèi)存中某些進(jìn)程暫時換出外存，把外存中某些已具備運(yùn)行條件的進(jìn)程換入內(nèi)存（進(jìn)程在內(nèi)存與磁盤間動態(tài)調(diào)度）
中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度），就是要決定將哪個處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存。

思考動態(tài)分區(qū)分配應(yīng)使用哪種裝入方式？“緊湊”之后需要做什么處理？
答：
a. 裝入方式應(yīng)選擇動態(tài)重定位（動態(tài)運(yùn)行時裝入）。動態(tài)重定位 編譯、鏈接后的裝入模塊的地址都是從0開始的。裝入程序把裝入模塊裝入內(nèi)存后，并不會立即把邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，而是把地址轉(zhuǎn)換推遲到程序真正要執(zhí)行時才進(jìn)行。因此裝入內(nèi)存后所有的地址依然是邏輯地址。這種方式需要一個重定位寄存器的支持。
b. “緊湊”之后我們需要把各個進(jìn)程的起始地址進(jìn)行修改，（進(jìn)程對應(yīng)的起始地址信息存放在進(jìn)程的PCB當(dāng)中）當(dāng)進(jìn)程要上CPU運(yùn)行之前，會把進(jìn)程的起始地址信息放到重定位寄存器（基址寄存器）里，然后再將指令中的相對地址的數(shù)值（80）+ 進(jìn)程的起始地址數(shù)值（100）得到其絕對地址。如下圖所示：

小結(jié)：

2. 內(nèi)存空間的擴(kuò)充：利用操作系統(tǒng)的虛擬性

早期的計算機(jī)內(nèi)存很小，比如IBM推出的第一臺PC機(jī)最大只支持1MB大小的內(nèi)存。因此經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)存大小不夠的情況。
后來人們引入了覆蓋技術(shù)，用來解決“程序大小超過物理內(nèi)存總和”的問題。

覆蓋技術(shù)：
覆蓋技術(shù)的思想：將程序分為多個段（多個模塊）。常用的段常駐內(nèi)存，不常用的段在需要時調(diào)入內(nèi)存。內(nèi)存中分為一個“固定區(qū)”和若干個“覆蓋區(qū)”。需要常駐內(nèi)存的段放在“固定區(qū)”中，調(diào)入后就不再調(diào)出（除非運(yùn)行結(jié)束）不常用的段放在“覆蓋區(qū)”，需要用到時調(diào)入內(nèi)存，用不到時調(diào)出內(nèi)存。


這種覆蓋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須由程序員聲明覆蓋結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)完成自動覆蓋。
缺點(diǎn)：對用戶不透明，增加了用戶編程負(fù)擔(dān)。
覆蓋技術(shù)只用于早期的操作系統(tǒng)中，現(xiàn)在已成為歷史。

交換技術(shù)
交換（對換）技術(shù)的設(shè)計思想：內(nèi)存空間緊張時，系統(tǒng)將內(nèi)存中某些進(jìn)程暫時換出外存，把外存中某些已具備運(yùn)行條件的進(jìn)程換入內(nèi)存（進(jìn)程在內(nèi)存與磁盤間動態(tài)調(diào)度）

中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度），就是要決定將哪個處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程重新調(diào)入內(nèi)存。
暫時換出外存等待的進(jìn)程狀態(tài)為掛起狀態(tài)（掛起態(tài)，suspend）
掛起態(tài)又可以進(jìn)一步細(xì)分為就緒掛起、阻塞掛起兩種狀態(tài)。
問題？
1.應(yīng)該在外存（磁盤）的什么位置保存被換出的進(jìn)程？
2.什么時候應(yīng)該交換？
3.應(yīng)該換出哪些進(jìn)程？

答：

具有對換功能的操作系統(tǒng)中，通常把磁盤空間分為文件區(qū)和對換區(qū)兩部分。文件區(qū)主要用于存放文件，主要追求存儲空間的利用率，因此對文件區(qū)空間的管理采用離散分配方式；對換區(qū)空間只占磁盤空間的小部分，被換出的進(jìn)程數(shù)據(jù)就存放在對換區(qū)。由于對換的速度直接影響到系統(tǒng)的整體速度，因此對換區(qū)空間的管理主要追求換入換出速度，因此通常對換區(qū)采用連續(xù)分配方式（學(xué)過文件管理章節(jié)后即可理解）。總之，對換區(qū)的I/O速度比文件區(qū)的更快。

交換通常在許多進(jìn)程運(yùn)行且內(nèi)存吃緊時進(jìn)行，而系統(tǒng)負(fù)荷降低就暫停。例如：在發(fā)現(xiàn)許多進(jìn)程運(yùn)行時經(jīng)常發(fā)生缺頁，就說明內(nèi)存緊張，此時可以換出一些進(jìn)程；如果缺頁率明顯下降，就可以暫停換出。

可優(yōu)先換出阻塞進(jìn)程；可換出優(yōu)先級低的進(jìn)程；為了防止優(yōu)先級低的進(jìn)程在被調(diào)入內(nèi)存后很快又被換出，有的系統(tǒng)還會考慮進(jìn)程在內(nèi)存的駐留時間。
（注意：將進(jìn)程換成內(nèi)存中時，并不是把這個進(jìn)程相關(guān)的所有數(shù)據(jù)都換出到外存中，操作系統(tǒng)為了保持對這些換出到外存中的進(jìn)程的管理，而且PCB中記錄了換出進(jìn)程在外存中的位置信息，所以PCB會常駐內(nèi)存，不會被換出外存）

3. 地址轉(zhuǎn)換:負(fù)責(zé)程序的邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換

4. 內(nèi)存保護(hù):保證各進(jìn)程在各自存儲空間內(nèi)運(yùn)行，互不干擾

內(nèi)存保護(hù)可采取兩種方法：

• 方法一：在CPU中設(shè)置一對上、下限寄存器，存放進(jìn)程的上、下限地址。進(jìn)程的指令要訪問某個地址時，CPU檢查是否越界。
  
  
• 方法二：采用重定位寄存器（又稱基址寄存器）和界地址寄存器（又稱限長寄存器）進(jìn)行越界檢查。重定位寄存器中存放的是進(jìn)程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是進(jìn)程的最大邏輯地址。
  
  

三、總結(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的六、操作系统——内存管理的概念（空间的分配与回收、空间的扩充、地址转换、存储保护）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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