> 清華大學(xué) 陳渝老師 操作系統(tǒng)教程

三、內(nèi)存

計算機體系結(jié)構(gòu)及內(nèi)存分層體系

• 計算機體系結(jié)構(gòu)
• CPU：程序/軟件執(zhí)行的控制
• 內(nèi)存：放置程序的代碼及其處理的數(shù)據(jù)
• 設(shè)備
• eg.鼠標、鍵盤
• 內(nèi)存分層體系
• 主存（物理內(nèi)存）：放置操作系統(tǒng)本身以及需要運行的代碼
• 磁盤（虛擬內(nèi)存）：放置永久存放的數(shù)據(jù)
• 在操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理范例
• 操作系統(tǒng)中管理內(nèi)存的4個目標
• 抽象
• 邏輯地址空間
• 保護
• 獨立地址空間
• 共享
• 訪問相同內(nèi)存
• 虛擬化
• 更多的地址空間
• 操作系統(tǒng)中管理內(nèi)存的不同方法
• 程序重定位
• 分段
• 分頁
• 虛擬內(nèi)存
• 按需分頁虛擬內(nèi)存
• 實現(xiàn)高度依賴于硬件
• 必須知道內(nèi)存架構(gòu)
• MMU（內(nèi)存管理單元）：硬件組件負責(zé)處理CPU的內(nèi)存訪問請求

地址空間和地址生成

• 地址空間定義
• 物理地址空間
• 硬盤支持的地址空間
• 邏輯地址空間
• 一個運行的程序所擁有的內(nèi)存范圍
• 地址生成
• 邏輯地址生成
• eg.在C程序里，函數(shù)的位置、變量的名字就是一種邏輯地址
• .o 文件的地址從0開始
• 物理地址生成
• CPU方面
• 運算器需要在邏輯地址的內(nèi)存內(nèi)容
• 內(nèi)存管理單元尋找在邏輯地址和物理地址之間的映射
• 控制器從總線發(fā)送在物理地址的內(nèi)存內(nèi)容的請求
• 內(nèi)存方面
• 內(nèi)存發(fā)送物理地址內(nèi)存的內(nèi)容給CPU
• 操作系統(tǒng)方面
• 建立邏輯地址和物理地址之間的映射
• 地址安全檢查
• 操作系統(tǒng)需要確保每個程序可以有效訪問的地址空間
• 起始地址
• 地址長度

連續(xù)內(nèi)存分配

• 內(nèi)存碎片問題
• 空閑內(nèi)存不能被利用
• 外部碎片
• 在分配單元間的未使用內(nèi)存
• 內(nèi)部碎片
• 在分配單元中的未使用內(nèi)存
• 分區(qū)的動態(tài)分配
• 簡單的內(nèi)存管理方法
• 當一個程序準許運行在內(nèi)存中，分配一個連續(xù)的區(qū)間
• 分配一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)間給運行的程序以訪問數(shù)據(jù)
• 分配策略
• 首次適配
• 為了分配n字節(jié)，使用第一個可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現(xiàn)
• 簡單實現(xiàn)
• 需求
• 按地址排序的空間塊列表
• 分配需要尋找一個合適的分區(qū)
• 重分配需要檢查，看是否自由分區(qū)能合并于相鄰的空閑分區(qū)
• 優(yōu)勢
• 簡單
• 易產(chǎn)生更大的空閑塊，向著地址空間的結(jié)尾
• 劣勢
• 易產(chǎn)生外碎片
• 不確定性
• 最佳適配
• 為了分配n字節(jié)，使用最小可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現(xiàn)
• 為了避免分割大空閑塊
• 為了最小化外部碎片產(chǎn)生的尺寸
• 需求
• 按尺寸排列的空閑塊列表
• 分配需要尋找一個合適的分區(qū)
• 重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區(qū)
• 優(yōu)勢
• 當大部分分配是小尺寸時非常有效
• 比較簡單
• 劣勢
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易產(chǎn)生很多沒用的微小碎片
• 最差適配
• 為了分配n字節(jié)，使用最大可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現(xiàn)
• 為了避免又太多微小的碎片
• 需求
• 按尺寸排列的空閑塊列表
• 分配很快（獲得最大分區(qū)）
• 重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區(qū)，若有，然后調(diào)整空閑塊列表
• 優(yōu)勢
• 假如分配是中等尺寸效果最好
• 劣勢
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易于破碎大的空閑塊以致大分區(qū)無法被分配
• 壓縮式碎片整理
• 重置程序以合并孔洞
• 要求所有程序時動態(tài)可重置的
• 問題
• 何時重置
• 不能再程序運行時進行
• 開銷
• 頻繁進行此操作開銷很大
• 交換式碎片整理
• 運行程序需要更多的內(nèi)存
• 搶占等待的程序和回收它們的內(nèi)存