操作系统笔记-3.1.1.1 内存的基础知识

王道操作系统笔记，视频链接：3.1.1.1 内存的基础知识

知识总览

内存的基础知识：
- 什么是内存，有何作用
- 进程运行的基本原理：
  - 指令的工作原理
  - 逻辑地址 vs 物理地址
  - 如何实现地址转换
  - 从写程序到程序运行的过程

什么是内存？有何作用？

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。
- 因为CPU处理速度很快，但是硬盘读取速度很慢，
- 不放内存CPU的速度会被硬盘拖累。
思考：在多道程序环境下，系统中会有多个程序并发执行，也就是说会有多个程序的数据需要同时放到内存中。那么，如何区分各个程序的数据是放在什么地方的呢？
- 方案：给内存的存储单元编地址
- 内存地址从0开始，每个地址对应一个存储单元
- 内存中也有一个一个的"小房间"，每个小房间就是一个"存储单元"
- 如果计算机"按字节编址 "，则每个存储单元大小 为1字节，即1B，即8个二进制位
- 如果字长为16位 的计算机"按字编址 "，则每个存储单元大小 为1个字 ；每个字的大小为16个二进制位
  - 具体字长要看题目定义，有些计算机字长可能是32位、64位等
  - 需要根据题目条件判断一个字占有多少比特位

补充知识：几个常用的数量单位

几个常用的数量单位：
2 10 2^{10} 210 = 1K （千）
2 20 2^{20} 220 = 1M （兆，百万）
2 30 2^{30} 230 = 1G （十亿，千兆）
注：有的题目会告诉我们内存的大小，让我们确定地址长度应该是多少，
- 即要多少个二进制位才能表示相应数目的存储单元。
- 比如：一台手机/电脑有 4GB 内存，是指该内存中可以存放 4 ∗ 2 30 4*2^{30} 4∗230个字节。
  - 如果是按字节编址的话，也就是有 4 ∗ 2 30 = 2 32 4*2^{30} = 2^{32} 4∗230=232 个"小房间",
  - 这么多"小房间"，需要 2 32 2^{32} 232 个地址才能一一标识，
  - 所以地址需要用 32 个二进制位来表示（ 0 → 2 32 − 1 0 \to 2^{32}-1 0→232−1）

指令的工作原理

指令的工作基于"地址"。每个地址对应一个数据的存储单元
指令=操作码+若干参数（可能包括地址参数）
我们写的代码要翻译成CPU能识别的指令。
- 这些指令会告诉CPU应该去内存的哪个地址读/写数据，这个数据应该做什么样的处理。
- 假设让进程的相关内容从地址 #0 开始连续存放，
  - 此时逻辑地址（相对位置）与物理地址（绝对位置）相等。
- 指令中的地址参数直接给出了变量 x 的实际存放地址（物理地址）。
C语言程序经过编译、链接处理后，生成装入模块 ，即可执行文件(比如.exe文件)：
- 程序经过编译、链接后生成的指令中指明的是逻辑地址（相对地址），
  - 即：相对于进程的起始地址而言的地址
  - 比如：在"从地址 #0 开始连续存放"的假设中，
    - 指令0为往地址为79的存储单元中写入10，
    - 那么CPU执行该指令时，就会往79地址的内存单元里写入10
  - 如果不是从地址 #0 开始，程序是从 #100 开始，
    - 那么直接往79地址写入就是错的，会篡改其他进程的内存空间
    - 应该往100+79=179的地址写入
  - 这就是逻辑地址与物理地址的区别
问题：如何将指令中的逻辑地址转换为物理地址？
- 策略：三种装入方式
  - 绝对装入
  - 可重定位装入（静态重定位）
  - 动态运行时装入（动态重定位）

装入的三种方法

绝对装入

绝对装入 ：
- 在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。
- 装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。
- 比如：
  - 如果知道装入模块要从地址为 100 的地方开始存放，
  - 那么按照之前"往79写入数据"的例子，
  - 就可以在编译的时候就把逻辑地址79改成物理地址179
绝对装入只适用于单道程序环境
- 需要知道装入模块装入内存的位置，灵活性差
- 比如程序要求放100，但是电脑放不了100，就会出问题

可重定位装入（静态重定位）

静态重定位 ：又称可重定位装入 。
- 编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，
- 指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。
- 可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。
- 装入时对地址进行"重定位"，将逻辑地址变换为物理地址。
- 地址变换是在装入时一次完成的。
- 比如：
  - 装入的起始物理地址为100，则在装入内存的时候，所有地址相关的参数都+100
静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，
- 必须分配其要求的全部内存空间 ，
  - 后续讲了虚拟存储技术会对此有更深入的了解
  - 这里理解即可，不是特别重要
- 如果没有足够的内存，就不能装入该作业。
- 作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动 ，也不能再申请内存空间。
  - 防止移动后出错，这也是静态重定位的局限性之一。

动态运行时装入（动态重定位）

动态重定位 ：又称动态运行时装入 。
- 编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。
- 装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，
- 而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。
- 因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。
- 这种方式需要一个重定位寄存器 的支持。
  - 重定位寄存器存放装入模块存放的起始位置
  - 在指令执行时，会将逻辑地址和重定位寄存器当中存放的起始相加，
  - 这样得到的地址才是最终可以访问的地址
采用动态重定位时允许程序在内存中发生移动 。
- 并且可将程序分配到不连续的存储区中；
- 在程序运行前只需装入它的部分代码即可投入运行，
- 然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存；
- 便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。
  - 便于程序段的共享：
    - 假设有10个终端都要调用printf，
    - 没有共享，那么内存里就有10份printf的机器代码
    - 有共享，只用保留一份，
    - 然后通过动态重定位把10个逻辑地址都映射到一个物理内存
  - 提供大得多的空间：
    - 假设物理内存只有4G，游戏有10G
    - 程序编译时，依然假装拥有从0开始的完整超大逻辑空间（比如100G）
    - 运行时，操作系统只把当前立刻要用到的极小部分（比如 10MB）装入物理内存，
    - 剩下的暂时躺在硬盘里，
    - 当 CPU 要访问一个逻辑地址，动态重定位发现它不在物理内存中时，
    - 会触发一个"缺页中断"，操作系统立刻从硬盘把那块数据调入物理内存，
    - 再重新执行指令。
- PS：学习了之后的虚拟存储管理后就可以更深入理解了

从写程序到程序运行

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块
- 编译就是把高级语言翻译为机器语言
链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块
图：

链接的三种方式

静态链接：
- 在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开。
- 图：
装入时动态链接：
- 将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式。
- 图：
运行时动态链接：
- 在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。
- 其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
- 比如：
  - 用到模块一就放入模块一，然后链接
  - 用到模块二就放入模块二，然后链接
  - 没用到模块三就不管模块三
- 图：

知识回顾与重要考点

这个小节考察频率很低，理解即可