內(nèi)存劃分與分配技術

1.內(nèi)存劃分

靜態(tài)劃分：劃分預先進行，創(chuàng)建新進程時，在內(nèi)存中找到一個合適的分區(qū)分配給它。
動態(tài)劃分：系統(tǒng)初始化時，可以將整個內(nèi)存的用戶區(qū)看作一個分區(qū)。創(chuàng)建新進程時，根據(jù)進程申請的空間大小，在這個分區(qū)中動態(tài)地為之劃分一部分空間。

2.靜態(tài)劃分

必須事先進行，一旦劃分完畢，分區(qū)的大小和數(shù)目將不再改變。可以劃分：大小相同/不同的分區(qū)，如固定分區(qū)和分頁。

2.1固定分區(qū)：

根據(jù)系統(tǒng)管理員的經(jīng)驗和一些統(tǒng)計規(guī)律，事先將內(nèi)存空間劃分為若干個固定大小的分區(qū)，稱為分區(qū)(Partitioning)。當進程申請存儲空間時，系統(tǒng)為之分配一個大小合適的空閑分區(qū)。
分頁：特殊的靜態(tài)分區(qū)，需要事先將內(nèi)存空間劃分為若干個大小相同的分區(qū)，稱為頁框，或幀（frame）（固定分區(qū)大小一般要大于分頁）。當進程申請存儲空間時，系統(tǒng)可以為之分配多個空閑頁框。
固定分區(qū)：等長原則 所有分區(qū)的長度相同。優(yōu)點：分配簡單，只要進程大小不超過分區(qū)大小，就可以裝到任何一個分區(qū)中運行。缺點：浪費存儲空間。若進程申請的存儲空間很小，卻需要占用整個分區(qū)，分區(qū)內(nèi)存在不可用的浪費空間，稱為內(nèi)零頭（internal fragmentation）；無法運行超過分區(qū)大小的程序；無法精確確定分區(qū)的大小（依賴經(jīng)驗）。
固定分區(qū)：異長原則
將內(nèi)存空間劃分為若干個長度不同的分區(qū)，以適合于不同大小的進程需要。優(yōu)點：既提高存儲空間的利用率、減少浪費，又使長進程能裝入運行。缺點：確定每個分區(qū)的大小也是一件十分困難的事情。?
固定分區(qū)管理簡單，只需要建立一張分區(qū)使用表，登記分區(qū)的使用情況（等長分區(qū)只需要標明分區(qū)狀態(tài)是已分配，還是空閑）。
首先，檢索分區(qū)使用表，從中找出一個尚未分配的、能滿足大小且內(nèi)零頭最小的分區(qū)。若分區(qū)使用表中的分區(qū)按從小到大的順序排列，則分配時，從表中的第一個表項開始查找，找到的第一個尚未分配并滿足大小的分區(qū)即是最佳的分區(qū)。將分區(qū)使用表中該分區(qū)的狀態(tài)修改為已分配。若找不到大小足夠的分區(qū)，則系統(tǒng)將拒絕運行該進程，或采用其它技術進行處理，如覆蓋技術等。
固定分配缺點：固定分區(qū)存在內(nèi)零頭，浪費存儲空間：異長分區(qū)較等長分區(qū)可以一定程度上提高系統(tǒng)的性能，但并不能徹底解決問題。

2.2 分頁式劃分(Paging)

為了提高內(nèi)存資源的利用率，可以考慮將分區(qū)長度縮小，減少內(nèi)零頭浪費的空間。
但是，這樣做必須有一個前提，即進程可以分配若干不連續(xù)的存儲空間。否則，小分區(qū)可能使更多的進程無法裝入內(nèi)存。分頁劃分：系統(tǒng)預先將內(nèi)存空間劃分為若干較小的、固定大小的頁框。

頁框較小，有效地減少了內(nèi)零頭的浪費；每個進程平均浪費0.5頁框大小。頁框大小固定，簡化了存儲分配。需要記錄內(nèi)存頁框的分配和使用情況：位示圖、空閑頁框表或空閑頁框鏈表等。
分頁式劃分：數(shù)據(jù)結構 位示圖是一個由0、1構成的向量，其中每一位(bit)表示一個頁框的使用狀態(tài)。一般規(guī)定，0表示頁框空閑，1表示頁框已被分配。假定存儲空間被劃分為n個頁框，所有頁框依次編號為0,1,2,…,n-1，則記錄所有頁框的使用狀態(tài)的位示圖形如：000001110111111111110001111…0011111
空閑頁框表：以表格形式記載內(nèi)存頁框的使用情況。顯然，為每一個空閑頁框設置一個表項是不合理的，這將導致頁框表太大。可以為一組連續(xù)的空閑頁框設置一個表項，其中主要包括：首頁框號和頁框個數(shù)，如表所示：


位示圖和空閑頁框表都需要占用專門的存儲空間。。。
空閑頁框鏈表：是將內(nèi)存中所有的空閑頁框通過其內(nèi)的鏈接指針連成一個鏈表，系統(tǒng)只需要記錄鏈表頭的位置。為進程分配存儲空間時，從鏈表頭開始取所需的頁框，同時更新鏈表頭。回收進程釋放的存儲空間時，將新產(chǎn)生的空閑頁框鏈接到空閑頁框鏈表中。?

3.動態(tài)劃分與分配技術

靜態(tài)劃分未考慮進程的實際需要。無論是固定分區(qū)，還是分頁，都存在不同程度的內(nèi)零頭。
動態(tài)劃分：根據(jù)進程的實際需要，動態(tài)地劃分內(nèi)存空間，并分配給進程，徹底解決了內(nèi)零頭問題(并不意味完全沒有內(nèi)零頭)。
系統(tǒng)初始化時，內(nèi)存用戶區(qū)就是一個大分區(qū)。隨著進程的創(chuàng)建和撤消，內(nèi)存被動態(tài)劃分成若干較小的分區(qū)。
例：有一個128MB的內(nèi)存，其中操作系統(tǒng)自身占用8MB，剩下的120MB空間供用戶進程使用。依次裝入進程P1、P2、P3、P4、P5、P6，剩下一個10MB的空閑分區(qū)。一段時間之后，進程P1、P3、P5執(zhí)行結束，釋放出3個空閑分區(qū)。內(nèi)存中共有4個空閑分區(qū)：
利用相應的數(shù)據(jù)結構記載空閑分區(qū)表，例如：
采用動態(tài)劃分技術，為進程分配存儲空間的過程較復雜。當系統(tǒng)中有多個滿足進程大小的空閑分區(qū)時，如何為進程選擇一個分區(qū)合適的分區(qū)呢？目前幾種較典型的分區(qū)分配方案：

3.1首次適應算法 (FFA：First Fit Algorithm)

基本思想：總是從內(nèi)存的某一端（一般從低地址端）開始查找，選擇一個超過進程申請大小的空閑分區(qū)。為此，可以將空閑分區(qū)表中登記的空閑分區(qū)按照其起始地址由小到大的次序依次排列。系統(tǒng)查找空閑分區(qū)時，從表頭開始查找，取第一個滿足要求的分區(qū)分配給進程。若找到的空閑分區(qū)恰好與進程申請的存儲空間大小相等，或分配給該進程以后，僅剩下一個非常小的空間（小于系統(tǒng)設置的閾值），則將該分區(qū)全部分配給申請進程。否則，系統(tǒng)將該分區(qū)劃分為兩個分區(qū)，一個分區(qū)的長度等于進程申請的空間大小，并將其分配給申請進程。然后，將另一個子分區(qū)鏈接到空閑分區(qū)鏈表中。 優(yōu)點：盡量使用低地址空間，因而在高地址的空間可能會保留較大的空閑分區(qū)。所以，大進程申請的存儲空間大都能在高地址端得到滿足。
缺點：由于每次只簡單地使用找到的第一個分區(qū)，結果可能導致將較大的空閑分區(qū)不斷地分割為較小的空閑分區(qū)。
3.2 外零頭 動態(tài)劃分技術解決了靜態(tài)劃分技術的內(nèi)零頭。可能產(chǎn)生很多較小的分區(qū)：外零頭(External Fragment)。緊湊(Compaction)：把內(nèi)存中的所有空閑分區(qū)拼接成一個較大的空閑分區(qū)。即把內(nèi)存中的所有進程移到內(nèi)存的某一端；所有空閑分區(qū)移到另一端
例，將如圖所示的內(nèi)存空間進行緊湊以后的效果（Windows中的磁盤碎片管理功能）：

3.3下次適應算法 (NFA: Next-Fit Algorithm)?

首次適應算法每次都從低地址端開始查找空閑分區(qū)，總是頻繁使用內(nèi)存的某一端，某些大進程申請的大分區(qū)需要很長時間才能在內(nèi)存的另一端找到。能否均衡使用整個內(nèi)存空間，加快大分區(qū)的查找速度呢？下次適應算法能記住上次分配分區(qū)的位置，下一次實施分配時，從上一次的分配位置之后開始查找，選擇一個大小足夠的空閑分區(qū)。
該算法常常會導致內(nèi)存中缺乏大分區(qū)，因為它會均衡地利用空閑分區(qū)，包括分割較大的空閑分區(qū)。從而使得大進程無法裝入內(nèi)存運行。下次適應算法可能會導致大量的外零頭，需要較頻繁地實施緊湊操作。

3.4最佳適應算法 (BFA：Best Fit Algorithm)?

總是選擇滿足申請要求且長度最小的空閑分區(qū)。為了提高查找效率，可以將所有的空閑分區(qū)按照長度由小大到的次序依次排列在空閑分區(qū)表中。為進程分配存儲空間時，從表頭開始查找，第一個滿足進程申請存儲空間大小的分區(qū)就是最適合的分區(qū)。?
優(yōu)點：盡量不分割大的空閑分區(qū)
缺點：可能會形成大量較小的、難以再分配的分區(qū) —— 大量的外零頭。
最佳適應算法并非是最好的算法。

3.5最差適應算法 (WFA：Worst Fit Algorithm)

選擇滿足申請要求且長度最大的空閑分區(qū)，使分割出來的剩余空閑分區(qū)較大。為了提高系統(tǒng)效率，可將系統(tǒng)中所有的空閑分區(qū)按照長度由大到小的次序依次排列在空閑分區(qū)表中。為進程分配存儲空間時，從表頭開始查找，選擇第一個滿足進程需要的分區(qū)。如果第一個空閑分區(qū)小于進程申請空間的大小，則不能立即為進程分配存儲空間。
優(yōu)點：可以避免形成大量較小外零頭，
缺點：總是分割大的空閑分區(qū)。當遇到大進程申請大空間時，無法找到一個足夠大的空閑分區(qū)。換句話說，在大進程面前，內(nèi)存中所謂的較大空閑分區(qū)也是外零頭了。

3.6例題

當系統(tǒng)進行到如圖所示的情形時，若有一個進程P7申請大小為16MB的存儲空間。分別采用上述4種算法進行分配，如圖所示，分析結果。

4.伙伴系統(tǒng)Buddy System

靜態(tài)劃分方案限制了系統(tǒng)中活躍進的數(shù)目。并且，只能運行不超過分區(qū)大小的進程，如果進程遠遠小于分區(qū)大小，則內(nèi)存空間的利用率非常低。動態(tài)劃分方案使存儲管理復雜化，并且需要系統(tǒng)付出緊湊外零頭的額外開銷。
伙伴系統(tǒng)綜合了靜態(tài)劃分技術和動態(tài)劃分技術的優(yōu)點。
具體的使用方法過程： 伙伴系統(tǒng)內(nèi)存的用戶可用空間為2^n 。系統(tǒng)總是為進程分配大小為2^i的一個空閑分區(qū)。其中m≤i≤U，2^m是系統(tǒng)允許的最小分區(qū)尺寸。如果進程申請的存儲空間大小為k，且2^i-1 ＜k ≤ 2^i,則將整個2i大小的分區(qū)分配給它。否則，該分區(qū)被分割成大小相等（ 2^i-1 ）的兩個分區(qū)。再判斷k是否滿足條件：2^i-2<k≤2^i-1,若滿足條件，則將兩個伙伴中的任何一個分配給進程；否則，將其中一個伙伴又平均分成兩個分區(qū)。此過程一直繼續(xù)進行，直到產(chǎn)生的分區(qū)大于或等于k，將其分配進程。?

4.1伙伴系統(tǒng)的存儲分配

進程申請大小為k的空間，系統(tǒng)為之分配一個2^i的空閑分區(qū)，其中，2^i-1 ＜k ≤ 2^i,若k ＞ 2^n，即進程 > 內(nèi)存空間，失敗；若當前無尺寸為2^i的空閑分區(qū)，則：
(1) 將i變?yōu)閕+1，查找一個尺寸為2^i+1的空閑分區(qū)。若存在，轉(2)執(zhí)行;否則，繼續(xù)執(zhí)行(1)；
(2) 等分2^i+1空閑分區(qū):產(chǎn)生兩個2^i的伙伴分區(qū)；
(3) 把其中一個2i的伙伴分區(qū)作為空閑分區(qū)；
(4) ?另一個2i 空閑分區(qū)分配給進程，結束。

4.2伙伴系統(tǒng)存儲空間的回收?

當進程執(zhí)行完畢，釋放一個尺寸為2^i的分區(qū)時，系統(tǒng)用算法回收該分區(qū)：如果被回收分區(qū)的伙伴分區(qū)非空閑，那么保留該分區(qū)為一個獨立的空閑分區(qū)，否則
[1] ?合并回收分區(qū)及其伙伴分區(qū)，從而得到一個尺寸為2^i+1的空閑分區(qū)；
[2] ?系統(tǒng)再次調(diào)用本算法回收上一步得到的尺寸為2^i+1 的空閑分區(qū)。?

4.3 例題

有進程P1、P2、P3、P4、P5相繼申請、釋放空間。系統(tǒng)分配、回收（合并）伙伴分區(qū)的過程如圖所示：

總結

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