一、概述

二、操作系統作為系統資源的管理者，當然也需要對內存進行管理，要管些什么呢？

1. 內存空間的分配與回收

連續分配：指為用戶進程分配的必須是一個連續的內存空間。

1. 單一連續分配

在單一連續分配方式中，內存被分為系統區和用戶區。系統區通常位于內存的低地址部分，用于存放操作系統相關數據；用戶區用于存放用戶進程相關數據。
內存中只能有一道用戶程序，用戶程序獨占整個用戶區空間。
優點：實現簡單；無外部碎片；可以采用覆蓋技術擴充內存；不一定需要采取內存保護（eg：早期的PC操作系統MS-DOS）。
缺點：只能用于單用戶、單任務的操作系統中；有內部碎片；存儲器利用率極低。
（分配給某進程的內存區域中，如果有些部分沒有用上，這部分就是“內部碎片”）

2. 固定分區分配

20世紀60年代出現了支持多道程序的系統，為了能在內存中裝入多道程序，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，在每個分區中只裝入一道作業，這樣就形成了最早的、最簡單的一種可運行多道程序的內存管理方式。

1）分區大小相等：缺乏靈活性，但是很適合用于用一臺計算機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，就可把內存分為n個大小相等的區域存放n個煉鋼爐控制程序）
2）分區大小不等：增加了靈活性，可以滿足不同大小的進程需求。根據常在系統中運行的作業大小情況進行劃分（比如：劃分多個小分區、適量中等分區、少量大分區）

操作系統需要建立一個數據結構——分區說明表，來實現各個分區的分配與回收。每個表項對應一個分區，通常按分區大小排列。每個表項包括對應分區的大小、起始地址、狀態（是否已分配）。

當某用戶程序要裝入內存時，由操作系統內核程序根據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，將之分配給該程序，然后修改狀態為“已分配”。
優點：實現簡單，無外部碎片。
缺點：
a.當用戶程序太大時，可能所有的分區都不能滿足需求，此時不得不采用覆蓋技術來解決，但這又會降低性能；
b.會產生內部碎片，內存利用率低。

3. 動態分區分配

動態分區分配又稱為可變分區分配。這種分配方式不會預先劃分內存分區，而是在進程裝入內存時，根據進程的大小動態地建立分區，并使分區的大小正好適合進程的需要。因此系統分區的大小和數目是可變的。（eg：假設某計算機內存大小為64MB，系統區8MB，用戶區共56MB…）
問題：
1.系統要用什么樣的數據結構記錄內存的使用情況？

2.當很多個空閑分區都能滿足需求時，應該選擇哪個分區進行分配？

3.如何進行分區的分配與回收操作？

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

回憶交換技術，什么是換入/換出？什么是中級調度（內存調度）？
答：
內存空間緊張時，系統將內存中某些進程暫時換出外存，把外存中某些已具備運行條件的進程換入內存（進程在內存與磁盤間動態調度）
中級調度（內存調度），就是要決定將哪個處于掛起狀態的進程重新調入內存。

思考動態分區分配應使用哪種裝入方式？“緊湊”之后需要做什么處理？
答：
a. 裝入方式應選擇動態重定位（動態運行時裝入）。動態重定位 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存后，并不會立即把邏輯地址轉換為物理地址，而是把地址轉換推遲到程序真正要執行時才進行。因此裝入內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程的起始地址進行修改，（進程對應的起始地址信息存放在進程的PCB當中）當進程要上CPU運行之前，會把進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值（80）+ 進程的起始地址數值（100）得到其絕對地址。如下圖所示：

小結：

2. 內存空間的擴充：利用操作系統的虛擬性

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

覆蓋技術：
覆蓋技術的思想：將程序分為多個段（多個模塊）。常用的段常駐內存，不常用的段在需要時調入內存。內存中分為一個“固定區”和若干個“覆蓋區”。需要常駐內存的段放在“固定區”中，調入后就不再調出（除非運行結束）不常用的段放在“覆蓋區”，需要用到時調入內存，用不到時調出內存。


這種覆蓋技術的實現必須由程序員聲明覆蓋結構，操作系統完成自動覆蓋。
缺點：對用戶不透明，增加了用戶編程負擔。
覆蓋技術只用于早期的操作系統中，現在已成為歷史。

交換技術
交換（對換）技術的設計思想：內存空間緊張時，系統將內存中某些進程暫時換出外存，把外存中某些已具備運行條件的進程換入內存（進程在內存與磁盤間動態調度）

中級調度（內存調度），就是要決定將哪個處于掛起狀態的進程重新調入內存。
暫時換出外存等待的進程狀態為掛起狀態（掛起態，suspend）
掛起態又可以進一步細分為就緒掛起、阻塞掛起兩種狀態。
問題？
1.應該在外存（磁盤）的什么位置保存被換出的進程？
2.什么時候應該交換？
3.應該換出哪些進程？

答：

具有對換功能的操作系統中，通常把磁盤空間分為文件區和對換區兩部分。文件區主要用于存放文件，主要追求存儲空間的利用率，因此對文件區空間的管理采用離散分配方式；對換區空間只占磁盤空間的小部分，被換出的進程數據就存放在對換區。由于對換的速度直接影響到系統的整體速度，因此對換區空間的管理主要追求換入換出速度，因此通常對換區采用連續分配方式（學過文件管理章節后即可理解）。總之，對換區的I/O速度比文件區的更快。

交換通常在許多進程運行且內存吃緊時進行，而系統負荷降低就暫停。例如：在發現許多進程運行時經常發生缺頁，就說明內存緊張，此時可以換出一些進程；如果缺頁率明顯下降，就可以暫停換出。

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

3. 地址轉換:負責程序的邏輯地址與物理地址的轉換

4. 內存保護:保證各進程在各自存儲空間內運行，互不干擾

內存保護可采取兩種方法：

• 方法一：在CPU中設置一對上、下限寄存器，存放進程的上、下限地址。進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）進行越界檢查。重定位寄存器中存放的是進程的起始物理地址。界地址寄存器中存放的是進程的最大邏輯地址。
  
  

三、總結

總結

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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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