操作系统原理方敏存储管理.pptx
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1、操作系统、实验操作系统、实验操作系统、实验操作系统、实验 第五章第五章 存储管理存储管理操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组操作系统课程组第2页内容回顾内容回顾死锁的检测死锁的检测死锁的检测死锁的检测v永久性资源的死锁检测永久性资源的死锁检测资源分配图资源分配图死锁定理死锁定理v临时资源的死锁检测临时资源的死锁检测死锁的解除死锁的解除死锁的解除死锁的解除v重新启动重新启动v撤销进程撤销进程v剥夺资源剥夺资源v进程回退进程回退第3页一、概述一、概述计算机的存储体系结构计算机的存储体系结构计算机的存储体系结构计算机的存储体系结构v计算机为什么要使用存储器?计算机为什么要使用存储器?冯冯 诺依
2、曼原理诺依曼原理v为什么要进行存储管理?为什么要进行存储管理?存储器一直以来都是较为珍贵的系统资源,需要合理存储器一直以来都是较为珍贵的系统资源,需要合理使用。使用。程序的逻辑空间和实际的物理空间不甚相同,需要进程序的逻辑空间和实际的物理空间不甚相同,需要进行映射。行映射。第4页一、概述一、概述v存储结构层次存储结构层次访问访问速度速度频度频度成本成本容量容量 第5页一、概述一、概述存储管理的目的存储管理的目的存储管理的目的存储管理的目的v使得用户和用户程序不涉及内存物理的细节。使得用户和用户程序不涉及内存物理的细节。v自动完成用户程序的装入。自动完成用户程序的装入。v提高内存的利用率。提高内
3、存的利用率。v解决内存速度与解决内存速度与CPU速度不匹配的问题。速度不匹配的问题。v实现内存共享。实现内存共享。方便使用者,有效利用存储资源,提高系统工作效率。方便使用者,有效利用存储资源,提高系统工作效率。第6页一、概述一、概述存储管理的任务存储管理的任务存储管理的任务存储管理的任务v在现代操作系统中,存储管理的主要任务有以下几个方在现代操作系统中,存储管理的主要任务有以下几个方面:面:地址变换地址变换(地址再定位地址再定位)存储资源的分配和回收存储资源的分配和回收存储共享和保护存储共享和保护存储器扩充存储器扩充覆盖技术覆盖技术交换技术交换技术第7页二、地址重定位二、地址重定位基本概念基本
4、概念基本概念基本概念程序程序符号地址符号地址/名地址名地址编译编译0101010010110101010101101010目标文件目标文件逻辑地址逻辑地址/相对地址相对地址虚拟地址虚拟地址/程序地址程序地址加载加载内存内存物理地址物理地址/绝对地址绝对地址定义:当程序被装入内存时,程序的逻辑地址定义:当程序被装入内存时,程序的逻辑地址被转换成内存的物理地址,这一过程称为地址被转换成内存的物理地址,这一过程称为地址重定位重定位(由内存管理单元由内存管理单元(MMU)完成完成)。第8页二、地址重定位二、地址重定位常见的地址重定位技术常见的地址重定位技术常见的地址重定位技术常见的地址重定位技术v绝对
5、装入绝对装入(Absolute loading)/固定地址再定位固定地址再定位程序的地址再定位是在程序执行之前被确定的,也就程序的地址再定位是在程序执行之前被确定的,也就是在编译连接时直接生成实际存储器地址是在编译连接时直接生成实际存储器地址(物理地址物理地址)。在此,程序地址空间和内存地址空间是一一对应的。在此,程序地址空间和内存地址空间是一一对应的。优点:装入过程简单。优点:装入过程简单。缺点:与硬件的结构过于密缺点:与硬件的结构过于密切,缺乏灵活性。切,缺乏灵活性。0101010010110101010101101010目标文件目标文件加载加载内存内存逻辑地址逻辑地址物理地址物理地址一一
6、对应一一对应例如:单片机,例如:单片机,MS-DOS中中.com格式程序。格式程序。第9页二、地址重定位二、地址重定位v可重定位装入可重定位装入(Relocatable Loading)即指程序装入内存时,由于程序的逻辑地址和物理地即指程序装入内存时,由于程序的逻辑地址和物理地址不一致,由逻辑地址到物理地址的映射过程。址不一致,由逻辑地址到物理地址的映射过程。分类分类静态再定位:指地址定位时修改程序的逻辑地址值,完成定静态再定位:指地址定位时修改程序的逻辑地址值,完成定位后,在程序的执行期间地址将不再发生变化。特点:在程位后,在程序的执行期间地址将不再发生变化。特点:在程序执行之前进行地址再定
7、位。序执行之前进行地址再定位。优点:无需硬件支持,容易实现。优点:无需硬件支持,容易实现。早期的操作系统中大多数都采早期的操作系统中大多数都采用这种方法。用这种方法。缺点:必须分配连续的存储区域;缺点:必须分配连续的存储区域;执行期间不能扩充存储空间,执行期间不能扩充存储空间,也不能在内存中移动,内存利也不能在内存中移动,内存利用率低,不便于共享。用率低,不便于共享。第10页二、地址重定位二、地址重定位动态再定位:程序在装入内存时,不修改程序的逻辑动态再定位:程序在装入内存时,不修改程序的逻辑地址值,程序在访问物理内存之前,再实时地将逻辑地址值,程序在访问物理内存之前,再实时地将逻辑地址转换成
8、物理地址。地址转换成物理地址。BR:基址寄存器,存放程序的起始地址基址寄存器,存放程序的起始地址VR:变址寄存器,存放需要变址寄存器,存放需要变换的逻辑地址变换的逻辑地址第11页二、地址重定位二、地址重定位优点:优点:程序在执行期间可以换入和换出内存,可以解决程序在执行期间可以换入和换出内存,可以解决内存紧张状态;内存紧张状态;可以在内存中移动可以在内存中移动把内存中的碎片集中起来,把内存中的碎片集中起来,可以充分利用空间;可以充分利用空间;不必给程序分配连续的内存空间,可以较好的利不必给程序分配连续的内存空间,可以较好的利用较小的内存块;用较小的内存块;若干用户可以共享同一程序,实现共享。若
9、干用户可以共享同一程序,实现共享。缺点:需要附加的硬件支持,实现存储管理的软件算缺点:需要附加的硬件支持,实现存储管理的软件算法比较复杂。法比较复杂。第12页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案存储管理方案分类存储管理方案分类存储管理方案分类存储管理方案分类v从操作系统的发展历史来看,存储管理主要有以下几种从操作系统的发展历史来看,存储管理主要有以下几种方案:方案:分区存储管理方案。要求连续分配存储空间,且程序分区存储管理方案。要求连续分配存储空间,且程序要一次性全部装入内存。简单,但是有比较严重的要一次性全部装入内存。简单,但是有比较严重的内内碎块碎块和和外碎块外碎块。段式存储管理方案。
10、不要求连续分配存储空间,段和段式存储管理方案。不要求连续分配存储空间,段和段之间可以不连续,但程序需要一次性全部装入内存。段之间可以不连续,但程序需要一次性全部装入内存。有比较严重的有比较严重的外碎块外碎块。页式存储管理方案。是一种不连续存储管理方案,也页式存储管理方案。是一种不连续存储管理方案,也需要一次性全部装入内存。在逻辑地址空间和物理地需要一次性全部装入内存。在逻辑地址空间和物理地址空间都采用分页的思想。缺点是每一个作业的最后址空间都采用分页的思想。缺点是每一个作业的最后一页有一页有内碎块内碎块。第13页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案段页式存储管理方案。是一种不连续存储方案,
11、段式段页式存储管理方案。是一种不连续存储方案,段式存储管理和页式存储管理的结合。克服了纯分页和纯存储管理和页式存储管理的结合。克服了纯分页和纯分段存储管理思想的缺点。分段存储管理思想的缺点。交换技术和覆盖技术。交换技术和覆盖技术。虚拟存储管理方案。虚拟存储管理方案。第14页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案分区存储管理:分区存储管理:分区存储管理:分区存储管理:v是一种连续分配存储空间的管理方式。曾被广泛地应用是一种连续分配存储空间的管理方式。曾被广泛地应用于于19601970年代的操作系统中。年代的操作系统中。v思想:把内存分为一些大小相等或不等的分区思想:把内存分为一些大小相等或不等
12、的分区(Partition),装入时每个应用程序占用一个或几个分区,装入时每个应用程序占用一个或几个分区,操作系统占用其中一个分区。适用于多道程序系统和分操作系统占用其中一个分区。适用于多道程序系统和分时系统,支持多个程序并发执行。时系统,支持多个程序并发执行。v分类分类单一连续分区存储管理单一连续分区存储管理固定分区管理固定分区管理可变分区管理可变分区管理第15页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案单一连续分区存储管理单一连续分区存储管理单一连续分区存储管理单一连续分区存储管理特点:一次只能装入一个程序,程特点:一次只能装入一个程序,程序独占整个用户区,如果程序小于序独占整个用户区,如果
13、程序小于用户区,则剩余的空间浪费,如果用户区,则剩余的空间浪费,如果大于,则无法装入。大于,则无法装入。优点:简单,适用于单用户、单任优点:简单,适用于单用户、单任务的操作系统,不需要复杂的硬件务的操作系统,不需要复杂的硬件支持。支持。缺点:一个作业运行时要占用整个缺点:一个作业运行时要占用整个内存地址空间,对内存造成了很大内存地址空间,对内存造成了很大的浪费,不支持大作业。的浪费,不支持大作业。第16页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案固定分区管理固定分区管理固定分区管理固定分区管理v支持多道程序技术支持多道程序技术v实现方法:实现方法:初始化内存空间初始化内存空间分区状态表分区状态表
14、 程序程序A(30K)程序程序A已分配已分配内碎片:指占用分区之内未内碎片:指占用分区之内未被利用的空间被利用的空间。第17页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案v特点:特点:内存中同时可以容纳多道程序;内存中同时可以容纳多道程序;程序必须连续存放,且要一次全部装入。程序必须连续存放,且要一次全部装入。v优点:优点:比单一连续分配方法,内存的利用率提高了;比单一连续分配方法,内存的利用率提高了;可以支持多道程序;可以支持多道程序;实现简单,开销小。实现简单,开销小。v缺点:缺点:作业必须预先能够估计自己要占用多大的内存空间,作业必须预先能够估计自己要占用多大的内存空间,有时候这是难以做到的
15、;有时候这是难以做到的;存在内碎片,造成存储空间的浪费;存在内碎片,造成存储空间的浪费;分区总数固定,限制了并发执行的程序数目。分区总数固定,限制了并发执行的程序数目。第18页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案可变分区可变分区可变分区可变分区(Dynamic Partitioning)(Dynamic Partitioning)v思想:预先不划分内存,当作业需要时向系统申请,系思想:预先不划分内存,当作业需要时向系统申请,系统从其中挖出一块给该作业,其大小等于作业所需内存统从其中挖出一块给该作业,其大小等于作业所需内存的大小,然后将剩下的部分再作为空表块,给下一次分的大小,然后将剩下的部
16、分再作为空表块,给下一次分配使用。配使用。OSJob1Job2Job4Job3Q:如何管理这些空闲区?如何管理这些空闲区?m_sizem_addrm_sizem_addrm_sizem_addrm_sizem_addr0线性表格法线性表格法m_sizem_addrm_sizem_addr链接法链接法Job5第19页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案分区分配算法分区分配算法分区分配算法分区分配算法v最先适应算法最先适应算法(first-fit)分配方法:将所有的空闲分区按照地址递增的顺序排分配方法:将所有的空闲分区按照地址递增的顺序排列,按照分区的先后次序,从头开始查找,符合要求列,按照分
17、区的先后次序,从头开始查找,符合要求的第一个分区就是要找的分区。的第一个分区就是要找的分区。OSJob2Job4Job5m_sizem_addrm_sizem_addrm_sizem_addr0第20页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案释放方法释放方法OSJob2Job4Job5规则:相邻合并,否则插入规则:相邻合并,否则插入第21页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案优点:优点:分配策略简单。分配策略简单。尽可能利用存储区低地址的空闲区,而在高地址尽可能利用存储区低地址的空闲区,而在高地址部分保存较大的空闲区,容易满足大作业。部分保存较大的空闲区,容易满足大作业。在释放内存分区时,
18、如果有相邻的空白区就进行在释放内存分区时,如果有相邻的空白区就进行合并,使其成为一个较大的空白区。合并,使其成为一个较大的空白区。缺点:缺点:查找总是从表首开始,因此前面的空闲区往往被查找总是从表首开始,因此前面的空闲区往往被分割得很小时,查找次数增大。分割得很小时,查找次数增大。会产生外碎片会产生外碎片(指占用的分区之间难以利用的空闲指占用的分区之间难以利用的空闲分区分区),这些碎片散布在存储器的各处,不能集中,这些碎片散布在存储器的各处,不能集中使用,因而降低了存储器的利用率。使用,因而降低了存储器的利用率。第22页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案v下次适应算法下次适应算法(nex
19、t-fit,循环最先适应算法,循环最先适应算法)分配方法:按分区的先后次序,从上次分配的分区起分配方法:按分区的先后次序,从上次分配的分区起查找,到最后分区时再回到开头,符合要求的第一个查找,到最后分区时再回到开头,符合要求的第一个分区就是找到的分区。分区就是找到的分区。释放方法:同于最先适应算法。释放方法:同于最先适应算法。优点:使空闲分区分布得更均匀,提高了分配查找的优点:使空闲分区分布得更均匀,提高了分配查找的速度。速度。缺点:较大的空闲分区不易保留。缺点:较大的空闲分区不易保留。第23页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案v最佳适应算法最佳适应算法(best-fit)分配方法:将所
20、有的空闲分区按照其容量递增的顺序分配方法:将所有的空闲分区按照其容量递增的顺序排列,当要求分配一个空白分区时,由小到大进行查排列,当要求分配一个空白分区时,由小到大进行查找,找到最合适的分配。找,找到最合适的分配。释放方法:在整个链表上搜索地址相邻的空闲区,合释放方法:在整个链表上搜索地址相邻的空闲区,合并后,再插入到合适的位置。并后,再插入到合适的位置。优点:优点:分配后所剩余的空白块会最小,较大的空闲分区会被保留。分配后所剩余的空白块会最小,较大的空闲分区会被保留。平均,只要查找一半的表格便能找到最佳适应的空白区;平均,只要查找一半的表格便能找到最佳适应的空白区;如果有一个空白区的容量正好
21、满足要求,则它必被选中。如果有一个空白区的容量正好满足要求,则它必被选中。缺点:空白区一般不可能恰好满足要求,在分配之后缺点:空白区一般不可能恰好满足要求,在分配之后的剩余部分通常非常小,以致小到无法使用,会形成的剩余部分通常非常小,以致小到无法使用,会形成较多外碎片。较多外碎片。第24页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案v最坏适应算法最坏适应算法(worst-fit)分配方法:与最佳适应算法相反,将所有的空白分区分配方法:与最佳适应算法相反,将所有的空白分区按容量递减的的顺序排列,最前面的最大的空闲分区按容量递减的的顺序排列,最前面的最大的空闲分区就是找到的分区。就是找到的分区。释放方
22、法:同于最佳适应算法释放方法:同于最佳适应算法(best-fit)优点:分配的时候,只需查找一次,就可以成功,分优点:分配的时候,只需查找一次,就可以成功,分配的算法很快。配的算法很快。缺点:最后剩余的分区会越来越小,不会保留较大的缺点:最后剩余的分区会越来越小,不会保留较大的空闲分区,无法运行大程序。空闲分区,无法运行大程序。第25页三、分区存储管理方案三、分区存储管理方案可再定位式分区可再定位式分区可再定位式分区可再定位式分区v又称浮动分区分配,是解决碎片问题的简单而有效的办法。又称浮动分区分配,是解决碎片问题的简单而有效的办法。v基本思想:移动所有被分配的分区,使之成为一个连续区域,而留
23、基本思想:移动所有被分配的分区,使之成为一个连续区域,而留下一个较大的空白区。下一个较大的空白区。“靠拢靠拢”或或“紧凑紧凑”Q:程序地址的再程序地址的再定位?定位?第26页提出原因提出原因提出原因提出原因四、页式存储管理四、页式存储管理分区存储管理方案分区存储管理方案要求作业存储时必须连续存放要求作业存储时必须连续存放OSJob1Job3Job2Job4Job5页式存储管理方案页式存储管理方案解决作业不连续存放的问题解决作业不连续存放的问题第27页逻辑地址空间逻辑地址空间01K2K3K4K四、页式存储管理四、页式存储管理基本原理基本原理基本原理基本原理物理地址空间物理地址空间0100K101
24、K102K103K104K105K106K107K108K109KOS012345678实页实页/主页主页0123虚页:大小相同,虚页:大小相同,常为常为2的整数幂。的整数幂。2031Q:如何记录和管如何记录和管理这种映射关系?理这种映射关系?第28页四、页式存储管理四、页式存储管理页面变换表页面变换表页面变换表页面变换表(Page management table)(Page management table)v是一种特殊的数据结构是一种特殊的数据结构v用途:记录每一个作业的虚页号到物理内存中页号之间用途:记录每一个作业的虚页号到物理内存中页号之间的映射关系。每一个作业都拥有一个自己的页面变
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- 操作系统 原理 存储 管理
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