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第三章：内存管理

第三章：内存管理

本章结构
内存管理基本概念
虚拟内存管理
内存分配方式
连续分配
非连续分配
页式
段式
段页式
以请求分页为例
页面置换算法
内存映射文件

Part1：内存管理基本概念

1、内存分配方式

一般将内存分为两个部分，一个为系统区，仅供操作系统使用；一部分为用户区，仅供应用程序使用，用于分配的内存均为用户区内存。

  • 连续分配方式：一个进程的物理内存空间在是连续的
  • 非连续分配方式：一个进程的物理内存空间是不连续的

2、连续分配

2.1 内存管理方式

  • 单一连续分配：内存中仅装入一道进程
  • 固定分区分配：内存被划分为固定大小的块，一个块装入一个进程
  • 动态分区分配：根据进程装入内存的大小建立分区

2.2 内存分配方式

在动态分区分配的方式下，内存被划分为大小不同的空闲块，如果在内存中存在n个足够大的空闲块，需要确定将哪一个块分配给该进程。

  • 按照地址大小查找
    • First Fit：按照地址从小到大，找到第一个可以使用的分区
    • Next FIt：从First Fit的结束之处开始查找
  • 按照分区大小查找
    • Best Fit：找打可以容纳该进程的空闲分区中最小的一个
    • Worst FIt：找到最大的一个

3、非连续分配

3.1 内存管理方式

  • 分页式存储：将内存划分为大小相同的页
  • 分段式存储：内存按照进程的逻辑划分，分段大小不固定
  • 段页式存储：内存先按照进程的逻辑划分段，再将逻辑段划分为大小相同点的叶

3.2 基本分页式存储

  1. 几个名词

    • Page：进程中的块
    • Page Frame：内存中的块
    • Block：外存中的块
    • Page Table(PT)：一张表，用于记录进程中的Page在哪一个Page Frame中
    • Page Table Register(PTR)：用于存放PT在内存中的首地址，及其长度的寄存器

  2. 逻辑地址->物理地址

    • 慢表地址转换

      第三章：内存管理_第1张图片

    • 快表地址转换

      Translation Lookaside Buffer(TLB)快表：用于存放最近使用过的页表项，本质上是一个相联寄存器，每换一个进程执行，就清空一次

      第三章：内存管理_第2张图片

    • 多级页表

      如果一个页表过大（超过一页），那么我们将一个页表也分页，建立一个二级页表，用于寻找分散在内存中的页表。逻辑地址则为

      一级页号 二级页号 OFFSET

3.3 基本分段式存储

  1. 几个名词

    和3.2基本相同

    • Segement Table：进程的段在内存中的起始位置
    • Segement Table Register：用于存放PT在内存中的首地址，及其长度

    第三章：内存管理_第3张图片

  2. 逻辑地址转化为物理地址

    第三章：内存管理_第4张图片

3.4 段页式存储

结合的段式存储和页式存储的优点

第三章：内存管理_第5张图片

Part2：虚拟内存管理

利用程序的局部性原理，只需将程序的部分调入内存即可启动程序执行，如果需要访问的信息不在内存，则产生缺页中断，调入该缺失的信息，这只能基于非连续分配

第三章：内存管理_第6张图片

1、以请求分页为例

为了实现虚拟化，需要在页表中新增一些字段

第三章：内存管理_第7张图片

2、页面置换算法

2.1 评价指标

OPT算法：置换出未来最长时间内不被使用的页面（无法实现，因为人类无法预测未来）

2.2 三个页面置换算法

  • FIFO：First in First Out

  • LRU:Recently Least Used page out

    每过一轮，每个页面的时间++，如果重复访问则置0

    如果需要置换，则换出页面时间最长的一个页面

  • CLock/NRU:置换出最久没有使用的页面

    • 具体流程

      当某页首次装入主存或者被访问到时，其使用位置1

      当发生缺页中断时，指针开始循环扫描，每扫过一个就将其使用位置0，直到遇到第一个使用位=0的页面并且将其换出，并且在此停下

      第三章：内存管理_第8张图片

    • 改进算法：

      再上面算法的基础之上增加以为修改位，并且优先置换出未修改之后的界面，即某页首次装入内存或被访问到时used bit = 1; 被修改之后modify bit = 1 其算法流程为：（used bit, modify bit）

      • 指针扫描一遍，替换第一个（0, 0）页面，如果失败则进行下一步
      • 指针扫描一遍，并且另used bit = 0，替换第一个(0, 1)页面，如果失败则进行下一步
      • 另所有的used bit = 0重新开始

2.3 页面分配方式

  • 驻留集：操作系统给进程分配的物理内存块
    • 固定分配：驻留集大小不变
    • 可变分配：驻留集大小可变
    • 局部置换：置换自己驻留集中的内容
    • 全局置换：可以置换空闲区域或者其他驻留集中的内容
  • 何时调页
    • 预调页：一次性调入若干相邻页面，用于进程首次调入
    • 请求调页：发生缺页中断时，调入，用于进程运行时

3、内存映射文件

将一个文件映射到内存的地址空间，实现了文件磁盘地址和进程虚拟地址一一对应，这实现了两个功能

  • 进程使用指针对这段虚拟地址进行读写之后，系统会自动写回到磁盘上，而无需调用read,write等函数
  • 内核空间对这片区域的修改可以直接反映到用户空间，从而实现不同进程文件共享

好像整个被映射文件都加载到内存中一样，非常适合大文件管理

第三章：内存管理_第9张图片

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