第三章 内存管理

3. 内存管理

3.1 内存管理的概念

3.1.1 内存管理的基本原理和要求

内存的基础知识

内存可存放数据，程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理，缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾。

内存管理的概念

操作系统作为资源的管理者，需要管理那些？

1. 负责内存空间的分配与回收。
2. 提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充(虚拟技术
3. 提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址 与物理地址的转换。

4. 内存保护，保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰。
   • 在CPU中设置一对上下限寄存器，存放进程的上，下限地址。进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。
   • 采取重定位寄存器（存放进程的起始物理地址 ）和界地址寄存器（存放进程中最大的逻辑地址）

进程的内存映像

#define不会单独分配空间，而是在编译的时候就将代码中的X替换成了1024了，它虽然放在紫色区域，但它和常量截然不同。

[ 进程 ]（内存）
-----内核区：
		----- 进程控制块PCB。
		----- 内核栈，内核数据结构
-----用户区
		-----用户栈：在函数大括号内定义的局部变量，函数调用时传入的参数。
		-----共享库的存储映射区：被调用的库函数
		-----堆：由malloc/free分配回收的数据
		-----未初始化的数据段（BSS）：未初始化的全局/静态变量
		-----已初始化数据段（Data）：已初始化的全局/静态变量
		-----只读代码/数据：程序代码。由const关键字修饰的常变量
-----未使用区（预留空间）

3.1.2 连续分配管理方式

连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

单一连续分配

内存被分为了系统区 和用户区 ，内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区域空间。如下图中，只能有一个进程A

• 优点：实现简单，无外部碎片。
• 缺点：只能用于单用户，单任务的操作系统中，有内部碎片；存储器利用率低。

固定分区分配

为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区。

• 分区大小相等：大小固定，不能满足不同大小的进程需求，缺乏灵活性。
• 分区大小不等：增加了灵活性，nice。

操作系统建立一个数据结构-----分区说明表，来实现各个分区的分配与回收，每个表项包括对应分区的大小，起始地址，状态（是否已分配）。

• 优点：实现简单，无外部碎片
• 缺点：当用户程序太大时候，可能所有分区都不满足，此时不得不采取覆盖技术来解决，但这又会降低性能，而且也会产生内部碎片，内存占用率低。

动态分区分配

这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区。

操作系统用什么样的数据结构记录内存使用情况

• 空闲分区表
• 空闲分区链

当很多空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配

当一个新作业装入内存时，需按照一定的动态分区分配算法，从空闲分区表和空闲分区链中选择一个。

如何进行分区的分配与回收

如果两个空闲分区相邻，需要进行合并。如果回收区前后都有，同样也得合并。

如果回收前后都没有空闲分区，就需要新增空闲分区。

各表的顺序不一致，具体要看动态分区分配算法来确定。

• 动态分区没有内部碎片，但是有外部碎片，有些空闲分区太小了，虽然加起来满足，但是无法连续，所以用不上。 （可以通过紧凑技术来解决碎片）

动态分区分配算法

首次适应算法（First Fit）

• 算法思想：每次从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。

• 算法实现： 空闲分区以按地址依次递增，每次分配内存时顺序查找空闲分区链(分区表)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

最佳适应算法

• **算法思想：**由于动态分区分配是一种连续分配方式，因此为了大进程到来能有连续的大片空间，可以尽可能多的留下大片的空闲区，优先使用小的空闲区。

• 算法实现：空闲分区按容量依次递增，每次分配内存时，顺序查找空闲分区表(链)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

• 缺点：会留下越来越多，很小的，难以利用的碎片，产生了很多外部碎片。

最坏适应算法

• 算法思想: 为了解决最佳适应算法产生的外部碎片，可以在每次分配优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲就不会太小。
• 如何实现： 空闲分区按容量依次递减，每次分配内存时，顺序查找空闲分区表(链)，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
• 缺点：每次都选择大分区分配，但是如果大分区用完，之后又有大进程来了，就没有内存分区可以用了。

邻近适应算法

• 算法思想： 首次适应算法每次都从链头开始查找，这也导致了低地址部分会出现很小的空闲分区，每次分配查找，都要经过这些分区，也增加查找的开销，如果可以每次都从上次查找结束的位置开始索引，就能解决上述问题。
• 算法实现： 空闲分区以地址递增排序（可排成一个循环队列）每次从上次查找结束的位置开始查找空闲分区表(链)，找到一个合适的分区。

3.1.3 基本分页存储管理

将内存 空间分为一个个大小相等的分区 ，每个分区就是页框/页帧/物理块，页框号从0开始。

将进程的逻辑地址 空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分被称为页/页面页号也是从0开始。

操纵系统以页框为单位为各个进程分配 内存空间，进程的页面 与内存的页框 有一一对应的关系。

各个页面不必连续存放，可以放到不相邻的各个页框中。

页表

为了知道进程的每个页面在内存中哪里，操作系统为每一个进程创建了一种数据结构---页表，其存放在PCB（进程控制块）中。

快表

快表（又称联想寄存器 ），是一种访问速度比内存快很多的高速缓存 ，用来存放最近访问的页表项的副本 ，可以加速地址变换的速度，与此对应，内存中的页表常被称为慢表。

两级页表

单级页表存在的问题

1. 页表必须连续存放，因此，当页表很大时，需要占用很多个连续的页框
2. 没必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面

我们可以为页表再次创建一个"页表"，称为页目录表，外层页表，顶层页表。

对于问题2，我们可以在需要访问页面的时候再把页面调入内存（虚拟内存存储技术） 给一个页表项增加一个标志位，若访问的页面不在内存，则产生缺页中断，然后将页面从外存调入内存。

3.1.4 基本分段存储管理

进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段 ，每个段都有一个段名(在低级语言中，程序使用段名来编程),每段从0开始编址。

内存分配规则：以段为单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间 ，但各段之间可以不相邻。

段表

程序分多个段，各段离散的装入内存，需从物理内存中找到各个逻辑段存放的位置，因此，每个进程建立了一张段映射表。--- "段表"

1. 每个段对应一个段表项，其中记录了该段在内存中的起始位置(又称基址)和段长。
2. 各个段表项的长度是相同的，段号可以省略。

段表也可以引入快表机构，加快地址变换速度。

分页和分段的对比

页是信息的物理单位 。分页的主要目的是为了实现离散分配 ，提高内存利用率。分页仅仅是系统管理上的需要，完全是系统行为，对用户是不可以见的。

段是信息的逻辑单位 。分段的目的是更好的满足用户需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑块的信息。分段是对用户可见的，用户编程时需要显示给出段名。

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页的大小固定且系统决定。

段的长度不固定，决定于用户编写的程序。

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对比点	逻辑地址	物理地址
谁生成	CPU（程序）	内存硬件
用户可见吗	用户/程序员可见	用户不可见
存在位置	进程虚拟地址空间	真实内存单元
转换关系	通过段表、页表、段页式映射	最终访问用物理地址

逻辑地址：

分页是由页号和页内偏移量组成。

分段是由段号和段内偏移量组成。

物理地址：

分页 的用户进程地址空间为一维 的，程序员只需要给出一个记忆符表示地址就好了。

分段 的用户进程地址空间为二维 的，需要标记段长度 ，和段地址。

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分段 比分页 更容易实现信息的共享和保护，因为分段是按照逻辑划分，它共享和保护这段逻辑就好了，而分页很有可能出现整个页框中一半是需要保护的，另一半不需要保护，就会混乱。

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3.1.5 段页式管理

段页式系统的逻辑地址由段号，页号，页内地址(页内偏移量)组成。

• 段号的位数决定了每个进程最多可以分几个段
• 页号位数决定了每个段最大有多少页
• 页内偏移量决定了页面大小，内存块大小是多少。

每个段对应一个段表项，每个段表项由段号 ，页表长度 ，页表存放块号(页表起始地址)，注意每个段表长度相等，段号是隐含的。

每个页面对应一个页表项，里面含有页号，页面存放的内存块，每个页表项长度相同，页号也是隐含的。

特性	分页（Paging）	分段（Segmentation）	段页式（Segmentation with Paging）
划分依据	按固定大小的页划分逻辑空间与物理内存	按**逻辑模块（段）**划分	先按逻辑段 划分，再在段内按页划分
优点	1. 消除外部碎片2. 支持虚拟内存，分配简单	1. 符合程序逻辑 ，支持共享与保护	1. 结合两者优点：既有逻辑保护/共享 ，又消除外部碎片
缺点	1. 产生内部碎片 2. 共享/保护不灵活	1. 产生外部碎片2. 段长不固定，管理复杂	1. 地址转换复杂（需两级查表）2. 硬件开销大
透明性	对程序员透明	对程序员可见	对程序员部分可见（逻辑上按段，物理上按页）
地址结构	[页号, 页内偏移]	[段号, 段内偏移]	[段号, 页号, 页内偏移]
典型用途	现代OS的虚拟内存实现	提供模块级共享/保护	现代主流处理器（x86）使用，如段页结合管理内存

3.2 虚拟内存管理

3.2.1 虚拟内存的基本概念

传统存储管理 有连续分配 和非连续分配，很多用不到的数据也会长期占用内存，导致内存利用率不高。

• 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。如果作业很大，无法装入内存，则导致大作业无法运行。
• **驻留性：**一旦作业装入内存，就会一直留在内存中，直到作业结束，但事实上并不是进程中所有数据都要同时访问，有时候只需要一部分就行了，这就导致了浪费内存资源。

那上述的缺点，就可以用虚拟存储技术来解决。

在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时不用的部分留在外存。在执行过程中，所访问的信息不存在 ，再由操作系统将所需信息从外存调入内存 ，若内存空间不足 ，则由操作系统负责将内存中暂时用不到的换出到外存 ，在用户看来似乎比实际内存大的多，这就是虚拟内存，所以它具有以下三个特征：

• 多次性：作业无需一次性全部装入内存，可多次调入内存。
• 对换性：允许在作业运行过程中，将作业换入，换出。
• 虚拟性：从逻辑上扩充了内存，使用户看到的内存容量，远大于实际容量。

虚拟内存的实现：

• 请求分页存储管理
• 请求分段存储管理
• 请求段页式存储管理

3.2.2 请求分页管理方式

• 请求调页：当所需数据内存中不存在时，由操作系统从外存调入内存。
• 页面置换：当内存中空间不足时候，由操作系统将内存中暂时不用的页面换出外存。

这俩功能的实现，也需要一个数据结构来存储，在基本分页存储中有页表，在请求分页管理系统中也要有页表。

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3.2.3 页面置换算法

当内存中满了，需要新加页面时，就需要用到页面置换算法 ，将内存中暂时不用的信息换出到外存。页面的换入，换出需要磁盘I/O，会有较大的开销，因此，应该追求更少的缺页率。

最佳置换算法(OPT)

每次选择淘汰的页面都是以后永不使用 ，或者在最长时间内不再被访问的页面 ，这样可以保证最低的缺页率，但是操作系统无法预知未来啊，所以这个算法是实现不了的，只能模拟一下。

先进先出置换算法（FIFO）

每次选择淘汰 的页面是最早进入内存的页面。

实现方式：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列 ，需要换出页面时选择对头页面即可，队列长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。

上图可以发现，为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增，这就是Belady异常所以它的性能很差。

最近最久未使用置换算法（LRU）

每次淘汰 的页面是最近最久未使用的页面。

实现方法：赋予每个页面对应的页表项，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t ,当需要淘汰页面时，选择有页面t值最大的 ，即最久未使用的页面。

这个算法性能好，但实现困难，开销大，需要专门的硬件支持。

时钟置换算法（CLOCK）

这是一种性能和开销比较均衡的算法，又称CLOCK算法或最近未用算法。

简单的CLOCK算法实现 ：在页面设置一个访问位 ，将内存中的页面链接成一个循环队列，当某页被访问时，设置为1，当需要页面置换的时候，就去队列中找，如果是0就换出，是1就设置为0暂不换出，这样子即使全为1，下一轮也有页面可换，所以这个算法最多会进行两次扫描。

简单时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过，而如果页面没有被修改，就不需要执行I/O操作写回外存。只有淘汰的页面被修改过 ，才需要写回外存。所以条件相同的时，应优先淘汰没有修改过的页面 ，避免I/O操作，这就是改进时钟置换算法的思想。修改位 = 1 / 0 表示修改/未修改。

（访问位，修改位）--->(1，1)表示近期访问又被修改。

算法实现：将所有可能被置换的页面排成一个循环队列，然后最多有四轮扫描，每轮失败则进行下一轮。

• 第一轮：寻找（0，0）最近没有访问，没有修改的不修改任何标志位，找到后进行置换。
• 第二轮：寻找（0，1）最近没有访问，但修改过的将访问位设置为0，若找到则进行替换。
• 第三轮：寻找（0，0）最近访问过，没有修改不修改任何标志位，找到后进行置换。
• 第四轮：寻找（0，1）最近访问过，并且修改过的肯定会找的，然后进行置换。

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3.2.4 页框分配

**驻留集：**指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。在采用虚拟存储技术的系统中，驻留集大小比进程大小要小。

驻留集太大，会导致多道程序并发度下降。驻留集太小，会导致缺页频繁。

内存分配策略

固定分配：操作系统为每个进程分配固定数目的物理块，在进程运行期间不可改变，即驻留集大小不变。

可变分配：先为每一个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间根据情况增加或减少，即驻留集大小可变。

局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换。

全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块 或者别的进程的物理块置换到外存，再分配给缺页进程。

上面可以搭配为，固定分配局部置换 ，可变分配局部置换 ，可变分配全局置换。

策略类型	页框分配是否可变	置换范围	优点	缺点
固定分配局部置换	否	本进程内部	独立性强，互不影响	资源利用率低
可变分配局部置换	是	本进程内部	灵活，效率较高	开销较大
可变分配全局置换	是	系统全局	利用率最高	进程互相影响

何时调入页面：

1. 预调页策略：主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该调入哪些部分。
2. 请求调页策略：进程在每次发现缺页的时候才将所缺的页面调入内存。

何处调入页面：

1. 系统拥有足够对换区，页面的调入调出都是从对换区进行，速度快。
2. 系统缺少足够的对换区，凡是不会修改的数据，直接从文件区调入内存，对于可能修改的数据，进入对换区。
3. UNIX方式，运行进程之前，进程有关的数据全部放在文件区，页面第一次使用，是从文件区调入内存，如果置换的话，是换出到对换区。

刚刚换出页面又要换入内存，马上又要换出内存，这种频繁的页面调度就是抖动现象，主要原因就是分配给进程的物理块不够。

3.2.5 内存映射文件

内存映射文件 --- 操作系统像上层程序员提供的功能(系统调用)

内存映射文件 是 将磁盘文件的一部分或全部映射到进程的虚拟内存空间 ，从而允许进程像访问内存一样直接读写文件内容的一种技术。

• 方便程序员访问文件数据。
• 方便多个进程共享同一个文件。