操作系統內存管理——分區、頁式、段式管理

標簽： 內存管理操作系統數據結構算法 2010-07-05 11:26 20805人閱讀 評論(5) 收藏 舉報 分類： 操作系統（4）

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計算存儲的層次結構：

當前技術沒有能夠提供這樣的存儲器，因此大部分的計算機都有一個存儲器層次結構，即少量的非常快速、昂貴、易變的高速緩存(cache)；若干兆字節的中等速度、中等價格、易變的主存儲器(RAM)；數百兆或數千兆的低速、廉價、不易變的磁盤。這些資源的合理使用與否直接關系著系統的效率。?

1. 內存管理方法

????????內存管理主要包括虛地址、地址變換、內存分配和回收、內存擴充、內存共享和保護等功能。?

2. 連續分配存儲管理方式

??????連續分配是指為一個用戶程序分配連續的內存空間。連續分配有單一連續存儲管理和分區式儲管理兩種方式。

2.1 單一連續存儲管理

???? 在這種管理方式中，內存被分為兩個區域：系統區和用戶區。應用程序裝入到用戶區，可使用用戶區全部空間。其特點是，最簡單，適用于單用戶、單任務的操作系統。CP／M和 DOS 2．0以下就是采用此種方式。這種方式的最大優點就是易于管理。但也存在著一些問題和不足之處，例如對要求內存空間少的程序，造成內存浪費；程序全部裝入，使得很少使用的程序部分也占用—定數量的內存。

2.2 分區式存儲管理

?????? 為了支持多道程序系統和分時系統，支持多個程序并發執行，引入了分區式存儲管理。分區式存儲管理是把內存分為一些大小相等或不等的分區，操作系統占用其中一個分區，其余的分區由應用程序使用，每個應用程序占用一個或幾個分區。分區式存儲管理雖然可以支持并發，但難以進行內存分區的共享。

?????? 分區式存儲管理引人了兩個新的問題：內碎片和外碎片。

????? 內碎片是占用分區內未被利用的空間，外碎片是占用分區之間難以利用的空閑分區(通常是小空閑分區)。

?????? 為實現分區式存儲管理，操作系統應維護的數據結構為分區表或分區鏈表。表中各表項一般包括每個分區的起始地址、大小及狀態(是否已分配)。

????? 分區式存儲管理常采用的一項技術就是內存緊縮(compaction)。

2.2.1 固定分區(nxedpartitioning)。

??????? 固定式分區的特點是把內存劃分為若干個固定大小的連續分區。分區大小可以相等：這種作法只適合于多個相同程序的并發執行(處理多個類型相同的對象)。分區大小也可以不等：有多個小分區、適量的中等分區以及少量的大分區。根據程序的大小，分配當前空閑的、適當大小的分區。

??????優點：易于實現，開銷小。

???? ?缺點主要有兩個：內碎片造成浪費；分區總數固定，限制了并發執行的程序數目。

2.2.2動態分區(dynamic partitioning)。

??????? 動態分區的特點是動態創建分區：在裝入程序時按其初始要求分配，或在其執行過程中通過系統調用進行分配或改變分區大小。與固定分區相比較其優點是：沒有內碎片。但它卻引入了另一種碎片——外碎片。動態分區的分區分配就是尋找某個空閑分區，其大小需大于或等于程序的要求。若是大于要求，則將該分區分割成兩個分區，其中一個分區為要求的大小并標記為“占用”，而另一個分區為余下部分并標記為“空閑”。分區分配的先后次序通常是從內存低端到高端。動態分區的分區釋放過程中有一個要注意的問題是，將相鄰的空閑分區合并成一個大的空閑分區。

下面列出了幾種常用的分區分配算法：

??????? 最先適配法(nrst-fit)：按分區在內存的先后次序從頭查找，找到符合要求的第一個分區進行分配。該算法的分配和釋放的時間性能較好，較大的空閑分區可以被保留在內存高端。但隨著低端分區不斷劃分會產生較多小分區，每次分配時查找時間開銷便會增大。

?????? 下次適配法(循環首次適應算法 next fit)：按分區在內存的先后次序，從上次分配的分區起查找(到最后{區時再從頭開始}，找到符合要求的第一個分區進行分配。該算法的分配和釋放的時間性能較好，使空閑分區分布得更均勻，但較大空閑分區不易保留。

?????? 最佳適配法(best-fit)：按分區在內存的先后次序從頭查找，找到其大小與要求相差最小的空閑分區進行分配。從個別來看，外碎片較小；但從整體來看，會形成較多外碎片優點是較大的空閑分區可以被保留。

?????? 最壞適配法(worst- fit)：按分區在內存的先后次序從頭查找，找到最大的空閑分區進行分配。基本不留下小空閑分區，不易形成外碎片。但由于較大的空閑分區不被保留，當對內存需求較大的進程需要運行時，其要求不易被滿足。

?2.3 伙伴系統

????????固定分區和動態分區方式都有不足之處。固定分區方式限制了活動進程的數目，當進程大小與空閑分區大小不匹配時，內存空間利用率很低。動態分區方式算法復雜，回收空閑分區時需要進行分區合并等，系統開銷較大。伙伴系統方式是對以上兩種內存方式的一種折衷方案。
??????? 伙伴系統規定，無論已分配分區或空閑分區，其大小均為 2 的 k 次冪，k 為整數， l≤k≤m，其中：

??????? 2^1 表示分配的最小分區的大小，

??????? 2^m 表示分配的最大分區的大小，

??????? 通常 2^m是整個可分配內存的大小。
??????? 假設系統的可利用空間容量為2^m個字， 則系統開始運行時， 整個內存區是一個大小為2^m的空閑分區。在系統運行過中，?由于不斷的劃分，可能會形成若干個不連續的空閑分區，將這些空閑分區根據分區的大小進行分類，對于每一類具有相同大小的所有空閑分區，單獨設立一個空閑分區雙向鏈表。這樣，不同大小的空閑分區形成了k(0≤k≤m)個空閑分區鏈表。?

?????? 分配步驟：

?????? 當需要為進程分配一個長度為n 的存儲空間時:

?????? 首先計算一個i 值，使 2^(i－1) <n ≤ 2^i，

?????? 然后在空閑分區大小為2^i的空閑分區鏈表中查找。

?????? 若找到，即把該空閑分區分配給進程。

?????? 否則，表明長度為2^i的空閑分區已經耗盡，則在分區大小為2^(i＋1)的空閑分區鏈表中尋找。

????? ?若存在 2^(i＋1)的一個空閑分區，則把該空閑分區分為相等的兩個分區，這兩個分區稱為一對伙伴，其中的一個分區用于配，?? 而把另一個加入分區大小為2^i的空閑分區鏈表中。

?????? 若大小為2^(i＋1)的空閑分區也不存在，則需要查找大小為2^(i＋2)的空閑分區， 若找到則對其進行兩次分割：

????????????? 第一次，將其分割為大小為 2^(i＋1)的兩個分區，一個用于分配，一個加入到大小為 2^(i＋1)的空閑分區鏈表中；

????????????? 第二次，將第一次用于分配的空閑區分割為 2^i的兩個分區，一個用于分配，一個加入到大小為 2^i的空閑分區鏈表中。

????? 若仍然找不到，則繼續查找大小為 2^(i＋3)的空閑分區，以此類推。

??????由此可見，在最壞的情況下，可能需要對 2^k的空閑分區進行 k 次分割才能得到所需分區。

????? 與一次分配可能要進行多次分割一樣，一次回收也可能要進行多次合并，如回收大小為2^i的空閑分區時，若事先已存在2^i的空閑分區時，則應將其與伙伴分區合并為大小為2^i＋1的空閑分區，若事先已存在2^i＋1的空閑分區時，又應繼續與其伙伴分區合并為大小為2^i＋2的空閑分區，依此類推。
??????? 在伙伴系統中，其分配和回收的時間性能取決于查找空閑分區的位置和分割、合并空閑分區所花費的時間。與前面所述的多種方法相比較，由于該算法在回收空閑分區時，需要對空閑分區進行合并，所以其時間性能比前面所述的分類搜索算法差，但比順序搜索算法好，而其空間性能則遠優于前面所述的分類搜索法，比順序搜索法略差。 需要指出的是，在當前的操作系統中，普遍采用的是下面將要講述的基于分頁和分段機制的虛擬內存機制，該機制較伙伴算法更為合理和高效，但在多處理機系統中，伙伴系統仍不失為一種有效的內存分配和釋放的方法，得到了大量的應用。

?2.4 內存緊縮

????????? 內存緊縮：將各個占用分區向內存一端移動，然后將各個空閑分區合并成為一個空閑分區。

??????? 這種技術在提供了某種程度上的靈活性的同時，也存在著一些弊端，例如：對占用分區進行內存數據搬移占用CPU時間；如果對占用分區中的程序進行“浮動”，則其重定位需要硬件支持。

????????? 緊縮時機：每個分區釋放后，或內存分配找不到滿足條件的空閑分區時。

?

???????

?????????????????????????????? 圖8.12

??????堆結構的存儲管理的分配算法：

????? 在動態存儲過程中，不管哪個時刻，可利用空間都是-一個地址連續的存儲區，在編譯程序中稱之為"堆"，每次分配都是從這個可利用空間中劃出一塊。其實現辦法是：設立一個指針，稱之為堆指針，始終指向堆的最低（或鍛聯）地址。當用戶申請N個單位的存儲塊時，堆指針向高地址（或 低地址）稱動N個存儲單位，而移動之前的堆指針的值就是分配給用戶的占用塊的初始地址。例如，某個串處理系統中有A、B、C、D這4個串，其串值長度分別為12,6,10和8. 假設堆指針free的初值為零，則分配給這4個串值的存儲空間的初始地址分別為0.12.18和 28,如圖8.12(a)和（b)所示，分配后的堆指針的值為36。 因此，這種堆結構的存儲管理的分配算法非常簡單，

???? 釋放內存空間執行內存緊縮：

???? 回收用戶釋放的空閑塊就比較麻煩.由于系統的可利用空間始終是一個絕址連續的存儲塊，因此回收時必須將所釋放的空間塊合并到整個堆上去才 能重新使用，這就是"存儲策縮"的任務.通常，有兩種做法：

????? 一種是一旦有用戶釋放存儲塊即進行回收緊縮，例始，圖8.12 (a)的堆，在c串釋放存儲塊時即回收緊縮，例如圖8.12 (c)的堆，同時修改串的存儲映像成圖8.12(d)的狀態；

???? 另一種是在程序執行過程中不回收用戶隨時釋放的存儲塊，直到可利用空同不夠分配或堆指針指向最高地址時才進行存儲緊縮。此時緊縮的目的是將堆中所有的空間塊連成一塊，即將所有的占用塊部集中到 可利用空間的低地地區，而剩余的高地址區成為一整個地繼連續的空閑塊，如圖8.13所示，其中（a）為緊縮前的狀態，(b)為緊縮后的狀態?

??????

???????????????????? 圖8.13? a 緊縮前 b緊縮后

?????? 和無用單元收集類似，為實現存儲紫編,首先要對占用塊進行“標志”，標志算法和無用單元收集類同(存儲塊的結構可能不同）,其次需進行下列4步雄作：

????? （1)計算占用塊的新地址。從最低地址開始巡査整個存儲空間，對每一個占用塊找到它在緊縮后的新地址。 為此,需設立兩個指針隨巡查向前移動,這兩個指針分別指示占用 塊在緊縮之前和之后的原地址和新地址。因此,在每個占用塊的第-·個存儲單位中，除了 設立長度域(存儲該占用換的大小）和標志域(存儲區別該存儲塊是占用塊或空閑塊的標 志）之外，還需設立一個新地址城，以存儲占用塊在緊縮后應有的新地址，即建立一張新， 舊地址的對照表m

????? ?(2)修改用戶觸初始變量表，以便在存儲緊縮后用戶程序能繼續正常運行*。

????? ?(3)檢查每個占用塊中存儲的數據， 若有指向其他存儲換的指針，則需作相應修改.

????? ?(4)將所有占用塊遷移到新地址走，這實質上是作傳送數據的工作。

????? ?至此，完成了存儲緊縮的操作，最后,將堆指針賦以新值（即緊縮后的空閑存儲區的最低地址）。

?????? 可見,存儲緊縮法比無用單元收集法更為復雜，前者不僅要傳送數據（進行占用塊遷移），而且還有需要修改所有占用塊中的指針值。因此，存儲緊縮也是個系統操作，且非不得已就不用。

?

3. 覆蓋和交換技術

?3.1 覆蓋技術

??????? 引入覆蓋 (overlay)技術的目標是在較小的可用內存中運行較大的程序。這種技術常用于多道程序系統之中，與分區式存儲管理配合使用。

???????覆蓋技術的原理：一個程序的幾個代碼段或數據段，按照時間先后來占用公共的內存空間。將程序必要部分(常用功能)的代碼和數據常駐內存；可選部分(不常用功能)平時存放在外存(覆蓋文件)中，在需要時才裝入內存。不存在調用關系的模塊不必同時裝入到內存，從而可以相互覆蓋。

????? ?在任何時候只在內存中保留所需的指令和數據；當需要其它指令時，它們會裝入到剛剛不再需要的指令所占用的內存空間；

???????如在同一時刻，CPU只能執行B，C中某一條。B，C之間就可以做覆蓋。

??????

?

?????? 覆蓋技術的缺點是編程時必須劃分程序模塊和確定程序模塊之間的覆蓋關系，增加編程復雜度；從外存裝入覆蓋文件，以時間延長換取空間節省。

????? 覆蓋的實現方式有兩種：以函數庫方式實現或操作系統支持。

3.2 交換技術

????? 交換 (swapping)技術在多個程序并發執行時，可以將暫時不能執行的程序（進程）送到外存中，從而獲得空閑內存空間來裝入新程序（進程），或讀人保存在外存中而處于就緒狀態的程序。交換單位為整個進程的地址空間。交換技術常用于多道程序系統或小型分時系統中，因為這些系統大多采用分區存儲管理方式。與分區式存儲管理配合使用又稱作“對換”或“滾進／滾出” (roll-in／roll-out)。

??????原理：暫停執行內存中的進程，將整個進程的地址空間保存到外存的交換區中（換出swap out），而將外存中由阻塞變為就緒的進程的地址空間讀入到內存中，并將該進程送到就緒隊列（換入swap in）。

?????交換技術優點之一是增加并發運行的程序數目，并給用戶提供適當的響應時間；與覆蓋技術相比交換技術另一個顯著的優點是不影響程序結構。交換技術本身也存在著不足，例如：對換人和換出的控制增加處理器開銷；程序整個地址空間都進行對換，沒有考慮執行過程中地址訪問的統計特性。

3.3 覆蓋與交換比較

?????? 1）與覆蓋技術相比，交換不要求程序員給出程序段之間的覆蓋結構。

???????2）交換主要是在進程與作業之間進行，而覆蓋則主要在同一作業或進程內進行。 另外覆蓋只能覆蓋那些與覆蓋程序段無關的程序段。

4. 頁式和段式存儲管理

???????? 在前面的幾種存儲管理方法中，為進程分配的空間是連續的，使用的地址都是物理地址。如果允許將一個進程分散到許多不連續的空間，就可以避免內存緊縮，減少碎片。基于這一思想，通過引入進程的邏輯地址，把進程地址空間與實際存儲空間分離，增加存儲管理的靈活性。地址空間和存儲空間兩個基本概念的定義如下：

地址空間：將源程序經過編譯后得到的目標程序，存在于它所限定的地址范圍內，這個范圍稱為地址空間。地址空間是邏輯地址的集合。

存儲空間：指主存中一系列存儲信息的物理單元的集合，這些單元的編號稱為物理地址存儲空間是物理地址的集合。

根據分配時所采用的基本單位不同，可將離散分配的管理方式分為以下三種：
頁式存儲管理、段式存儲管理和段頁式存儲管理。其中段頁式存儲管理是前兩種結合的產物。

?

5. 頁式存儲管理

4.1 基本原理

??????? 將程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(page)，而物理內存劃分為同樣大小的頁框(page frame)。程序加載時，可將任意一頁放人內存中任意一個頁框，這些頁框不必連續，從而實現了離散分配。該方法需要CPU的硬件支持，來實現邏輯地址和物理地址之間的映射。在頁式存儲管理方式中地址結構由兩部構成，前一部分是頁號，后一部分為頁內地址w（位移量），如圖4所示：

??????

????? 頁式管理方式的優點是：

?????? 1）沒有外碎片，每個內碎片不超過頁大比前面所討論的幾種管理方式的最大進步是，

???????2）一個程序不必連續存放。

???????3）便于改變程序占用空間的大小(主要指隨著程序運行，動態生成的數據增多，所要求的地址空間相應增長)。

????? 缺點是：要求程序全部裝入內存，沒有足夠的內存，程序就不能執行。

4.2 頁式管理的數據結構

???????? 在頁式系統中進程建立時，操作系統為進程中所有的頁分配頁框。當進程撤銷時收回所有分配給它的頁框。在程序的運行期間，如果允許進程動態地申請空間，操作系統還要為進程申請的空間分配物理頁框。操作系統為了完成這些功能，必須記錄系統內存中實際的頁框使用情況。操作系統還要在進程切換時，正確地切換兩個不同的進程地址空間到物理內存空間的映射。這就要求操作系統要記錄每個進程頁表的相關信息。為了完成上述的功能，—個頁式系統中，一般要采用如下的數據結構。

??????? 進程頁表：完成邏輯頁號(本進程的地址空間)到物理頁面號(實際內存空間，也叫塊號)的映射。
????????每個進程有一個頁表，描述該進程占用的物理頁面及邏輯排列順序，如圖：

???????

???????????????????????????????? 圖4-1 頁表

??????? 物理頁面表：整個系統有一個物理頁面表，描述物理內存空間的分配使用狀況，其數據結構可采用位示圖和空閑頁鏈表。

??????? 對于位示圖法，即如果該頁面已被分配，則對應比特位置1，否置0.

???????

????????????????????????????????? 圖4-2 頁面表

??????? 請求表：整個系統有一個請求表，描述系統內各個進程頁表的位置和大小，用于地址轉換也可以結合到各進程的PCB(進程控制塊)里。如圖：

??????

?????????????????????????????????????? 圖4-3 請求表

4.3 頁式管理地址變換

???????在頁式系統中，指令所給出的地址分為兩部分：邏輯頁號和頁內地址。

???????原理：CPU中的內存管理單元(MMU)按邏輯頁號通過查進程頁表得到物理頁框號，將物理頁框號與頁內地址相加形成物理地址(見圖4-4)。 ??????? 邏輯頁號，頁內偏移地址－>查進程頁表，得物理頁號－>物理地址： ??????? ???????????????????????????????????????圖4-4 頁式管理的地址變換

?????? 上述過程通常由處理器的硬件直接完成，不需要軟件參與。通常，操作系統只需在進程切換時，把進程頁表的首地址裝入處理器特定的寄存器中即可。一般來說，頁表存儲在主存之中。這樣處理器每訪問一個在內存中的操作數，就要訪問兩次內存：

?????? 第一次用來查找頁表將操作數的 邏輯地址變換為物理地址；

???????第二次完成真正的讀寫操作。???????

????? 這樣做時間上耗費嚴重。為縮短查找時間，可以將頁表從內存裝入CPU內部的關聯存儲器(例如，快表) 中，實現按內容查找。此時的地址變換過程是：在CPU給出有效地址后，由地址變換機構自動將頁號送人快表，并將此頁號與快表中的所有頁號進行比較，而且這 種比較是同時進行的。若其中有與此相匹配的頁號，表示要訪問的頁的頁表項在快表中。于是可直接讀出該頁所對應的物理頁號，這樣就無需訪問內存中的頁表。由于關聯存儲器的訪問速度比內存的訪問速度快得多。

?

5. 段式存儲管理

5.1 基本原理

??????? 在段式存儲管理中，將程序的地址空間劃分為若干個段(segment)，這樣每個進程有一個二維的地址空間。在前面所介紹的動態分區分配方式中，系統為整個進程分配一個連續的內存空間。而在段式存儲管理系統中，則為每個段分配一個連續的分區，而進程中的各個段可以不連續地存放在內存的不同分區中。程序加載時，操作系統為所有段分配其所需內存，這些段不必連續，物理內存的管理采用動態分區的管理方法。

??????在為某個段分配物理內存時，可以采用首先適配法、下次適配法、最佳適配法等方法。

????? 在回收某個段所占用的空間時，要注意將收回的空間與其相鄰的空間合并。

????? 段式存儲管理也需要硬件支持，實現邏輯地址到物理地址的映射。

????? 程序通過分段劃分為多個模塊，如代碼段、數據段、共享段：

????? –可以分別編寫和編譯 ????? –可以針對不同類型的段采取不同的保護 ????? –可以按段為單位來進行共享，包括通過動態鏈接進行代碼共享

????? 這樣做的優點是：可以分別編寫和編譯源程序的一個文件，并且可以針對不同類型的段采取不同的保護，也可以按段為單位來進行共享。

?????? 總的來說，段式存儲管理的優點是：沒有內碎片，外碎片可以通過內存緊縮來消除；便于實現內存共享。缺點與頁式存儲管理的缺點相同，進程必須全部裝入內存。

5.2 段式管理的數據結構

???????? 為了實現段式管理，操作系統需要如下的數據結構來實現進程的地址空間到物理內存空間的映射，并跟蹤物理內存的使用情況，以便在裝入新的段的時候，合理地分配內存空間。

?????? ·進程段表：描述組成進程地址空間的各段，可以是指向系統段表中表項的索引。每段有段基址(baseaddress)，即段內地址。

??????? 在系統中為每個進程建立一張段映射表，如圖：

????????

???????·系統段表：系統所有占用段（已經分配的段）。

??????

?????? ·空閑段表：內存中所有空閑段，可以結合到系統段表中。

5.3 段式管理的地址變換

??????????????????????????? ?

????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖4—5 段式管理的地址變換

??????? 在段式?管理系統中，整個進程的地址空間是二維的，即其邏輯地址由段號和段內地址兩部分組成。為了完成進程邏輯地址到物理地址的映射，處理器會查找內存中的段表，由段號得到段的首地址，加上段內地址，得到實際的物理地址(見圖4—5)。這個過程也是由處理器的硬件直接完成的，操作系統只需在進程切換時，將進程段表的首地址裝入處理器的特定寄存器當中。這個寄存器一般被稱作段表地址寄存器。

?

6. 頁式和段式管理的區別

???? 頁式和段式系統有許多相似之處。比如，兩者都采用離散分配方式，且都通過地址映射機構來實現地址變換。但概念上兩者也有很多區別，主要表現在：

????? 1)、需求：是信息的物理單位，分頁是為了實現離散分配方式，以減少內存的碎片，提高內存的利用率。或者說，分頁僅僅是由于系統管理的需要，而不是用戶的需要。段是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的信息。分段的目的是為了更好地滿足用戶的需要。

??? 一條指令或一個操作數可能會跨越兩個頁的分界處，而不會跨越兩個段的分界處。

???? 2)、大小：頁大小固定且由系統決定，把邏輯地址劃分為頁號和頁內地址兩部分，是由機器硬件實現的。段的長度不固定，且決定于用戶所編寫的程序，通常由編譯系統在對源程序進行編譯時根據信息的性質來劃分。

???? 3)、邏輯地址表示：頁式系統地址空間是一維的，即單一的線性地址空間，程序員只需利用一個標識符，即可表示一個地址。分段的作業地址空間是二維的，程序員在標識一個地址時，既需給出段名，又需給出段內地址。

???? 4)、比頁大，因而段表比頁表短，可以縮短查找時間，提高訪問速度。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统内存管理——分区、页式、段式管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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