操作系统chapter4存储器管理.pptx
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1、第四章第四章 存储器管理存储器管理 4.1 4.1 存储器的层次结构存储器的层次结构4.24.2 程序的装入和链接程序的装入和链接 4.34.3 连续分配方式连续分配方式 4.44.4 基本分页存储管理方式基本分页存储管理方式 4.54.5 基本分段存储管理方式基本分段存储管理方式 4.64.6 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念 4.74.7 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式 4.84.8 页面置换算法页面置换算法 4.9 4.9 请求分段存储管理方式请求分段存储管理方式 4.1程序的装入和链接程序的装入和链接图 4-1 对用户程序的处理步骤 4.1.1程序的装入程序的装入1.
2、绝对装入方式绝对装入方式(AbsoluteLoadingMode)程程序序中中所所使使用用的的绝绝对对地地址址,既既可可在在编编译译或或汇汇编编时时给给出出,也也可可由由程程序序员员直直接接赋赋予予。但但在在由由程程序序员员直直接接给给出出绝绝对对地地址址时时,不不仅仅要要求求程程序序员员熟熟悉悉内内存存的的使使用用情情况况,而而且且一一旦旦程程序序或或数数据据被被修修改改后后,可可能能要要改改变变程程序序中中的的所所有有地地址址。因因此此,通通常常是是宁宁可可在在程程序序中中采采用用符符号号地地址址,然然后后在在编编译译或或汇汇编编时时,再将这些符号地址转换为绝对地址。再将这些符号地址转换为
3、绝对地址。2.可重定位装入方式可重定位装入方式(RelocationLoadingMode)图 4-2 作业装入内存时的情况 3.动态运行时装入方式动态运行时装入方式(DenamleRun-timeLoading)动动态态运运行行时时的的装装入入程程序序,在在把把装装入入模模块块装装入入内内存存后后,并并不不立立即即把把装装入入模模块块中中的的相相对对地地址址转转换换为为绝绝对对地地址址,而而是是把把这这种种地地址址转转换换推推迟迟到到程程序序真真正正要要执执行行时时才才进进行行。因因此,此,装入内存后的所有地址都仍是相对地址。装入内存后的所有地址都仍是相对地址。4.1.2程序的链接程序的链接
4、1.静态链接方式静态链接方式(StaticLinking)图 4-3 程序链接示意图 静静态态链链接接将将目目标标模模块块装装配配成成一一个个装装入入模模块块时时,须须解解决以下两个问题:决以下两个问题:(1)对相对地址进行修改。对相对地址进行修改。(2)变换外部调用符号。变换外部调用符号。2.装入时装入时动态链接动态链接(Loadtime Dynamic Linking)优点:优点:(1)便于修改和更新。便于修改和更新。(2)便于实现对目标模块的共享。便于实现对目标模块的共享。3.运行时动态链接运行时动态链接(Run-timeDynamicLinking)近几年流行起来的运行时动态链接方式,
5、是对上述在装入时链接方式的一种改进。这种链接方式是将对某些模块的链接推迟到执行时才执行,亦即,在执行过程中,当发现一个被调用模块尚未装入内存时,立即由OS去找到该模块并将之装入内存,把它链接到调用者模块上。凡在执行过程中未被用到的目标模块,都不会被调入内存和被链接到装入模块上,这样不仅可加快程序的装入过程,而且可节省大量的内存空间。4.2连续分配方式连续分配方式4.2.1单一连续分配单一连续分配这这是是最最简简单单的的一一种种存存储储管管理理方方式式,但但只只能能用用于于单单用用户户、单单任任务务的的操操作作系系统统中中。采采用用这这种种存存储储管管理理方方式式时时,可可把把内内存存分分为为系
6、系统统区区和和用用户户区区两两部部分分,系系统统区区仅仅提提供供给给OS使使用用,通通常常是是放放在在内内存存的的低低址址部部分分;用用户户区区是是指指除除系系统统区区以以外外的的全部内存空间,全部内存空间,提供给用户使用。提供给用户使用。4.2.2固定分区分配固定分区分配1.划分分区的方法划分分区的方法(1)分区大小相等,即使所有的内存分区大小相等。(2)分区大小不等。2.内存分配内存分配图 4-5 固定分区使用表 4.2.3动态分区分配动态分区分配1.分区分配中的数据结构分区分配中的数据结构(1)空闲分区表。空闲分区表。(2)空闲分区链。空闲分区链。图图4-6空闲链结构空闲链结构3.分区分
7、配操作分区分配操作1)分配内存 图 4-7 内存分配流程2)回收内存 图 4-7 内存回收时的情况 4.3.4可重定位分区分配可重定位分区分配1.动态重定位的引入动态重定位的引入图 4-8 紧凑的示意 操作系统用户程序1用户程序310 KB30 KB用户程序614 KB用户程序926 KB操作系统用户程序1用户程序3用户程序6用户程序980 KB(a)紧凑前(b)紧凑后2.动态重定位的实现动态重定位的实现图 4-10 动态重定位示意图 3.动态重定位分区分配算法动态重定位分区分配算法图 4-11 动态分区分配算法流程图 4.3.5对换对换(Swapping)1.对换的引入对换的引入所所谓谓“对
8、对换换”,是是指指把把内内存存中中暂暂时时不不能能运运行行的的进进程程或或者者暂暂时时不不用用的的程程序序和和数数据据,调调出出到到外外存存上上,以以便便腾腾出出足足够够的的内内存存空空间间,再再把把已已具具备备运运行行条条件件的的进进程程或或进进程程所所需需要要的的程程序序和和数数据据,调调入入内内存存。对对换换是是提提高高内内存存利利用用率率的的有有效效措措施。施。2.对换空间的管理对换空间的管理为为了了能能对对对对换换区区中中的的空空闲闲盘盘块块进进行行管管理理,在在系系统统中中应应配配置置相相应应的的数数据据结结构构,以以记记录录外外存存的的使使用用情情况况。其其形形式式与与内内存存在
9、在动动态态分分区区分分配配方方式式中中所所用用数数据据结结构构相相似似,即即同同样样可可以以用用空空闲闲分分区区表表或或空空闲闲分分区区链链。在在空空闲闲分分区区表表中中的的每每个个表表目目中中应应包包含含两两项项,即即对对换换区区的的首首址址及及其其大大小小,它它们们的的单单位位是盘块号和盘块数。是盘块号和盘块数。3.进程的换出与换入进程的换出与换入(1)进程的换出。进程的换出。每每当当一一进进程程由由于于创创建建子子进进程程而而需需要要更更多多的的内内存存空空间间,但但又又无无足足够够的的内内存存空空间间等等情情况况发发生生时时,系系统统应应将将某某进进程程换换出出。其其过过程程是是:系系
10、统统首首先先选选择择处处于于阻阻塞塞状状态态且且优优先先级级最最低低的的进进程程作作为为换换出出进进程程,然然后后启启动动盘盘块块,将将该该进进程程的的程程序序和和数数据据传传送送到到磁磁盘盘的的对对换换区区上上。若若传传送送过过程程未未出出现现错错误误,便便可可回回收收该该进进程程所所占占用用的的内内存存空空间间,并并对对该该进进程程的的进进程程控控制制块做相应的修改。块做相应的修改。(2)进程的换入。进程的换入。系系统统应应定定时时地地查查看看所所有有进进程程的的状状态态,从从中中找找出出“就就绪绪”状状态态但但已已换换出出的的进进程程,将将其其中中换换出出时时间间(换换出出到到磁磁盘盘上
11、上)最最久久的的进进程程作作为为换换入入进进程程,将将之之换换入入,直直至至已已无无可可换换入入的的进程或无可换出的进程为止。进程或无可换出的进程为止。4.4基本分页存储管理方式基本分页存储管理方式4.4.1页面与页表页面与页表1.页面页面1)页面和物理块页面和物理块分分页页存存储储管管理理,是是将将一一个个进进程程的的逻逻辑辑地地址址空空间间分分成成若若干干个个大大小小相相等等的的片片,称称为为页页面面或或页页,并并为为各各页页加加以以编编号号,从从0开开始始,如如第第0页页、第第1页页等等。相相应应地地,也也把把内内存存空空间间分分成成与与页页面面相相同同大大小小的的若若干干个个存存储储块
12、块,称称为为(物物理理)块块或或页页框框(frame),也也同同样样为为它它们们加加以以编编号号,如如0块块、1块块等等等等。在在为为进进程程分分配配内内存存时时,以以块块为为单单位位将将进进程程中中的的若若干干个个页页分分别别装装入入到到多多个个可可以以不不相相邻邻接接的的物物理理块块中中。由由于于进进程程的的最最后后一一页页经经常常装装不不满满一一块块而而形形成成了了不不可可利用的碎片,称之为利用的碎片,称之为“页内碎片页内碎片”。2)页面大小页面大小在在分分页页系系统统中中的的页页面面其其大大小小应应适适中中。页页面面若若太太小小,一一方方面面虽虽然然可可使使内内存存碎碎片片减减小小,从
13、从而而减减少少了了内内存存碎碎片片的的总总空空间间,有有利利于于提提高高内内存存利利用用率率,但但另另一一方方面面也也会会使使每每个个进进程程占占用用较较多多的的页页面面,从从而而导导致致进进程程的的页页表表过过长长,占占用用大大量量内内存存;此此外外,还还会会降降低低页页面面换换进进换换出出的的效效率率。然然而而,如如果果选选择择的的页页面面较较大大,虽虽然然可可以以减减少少页页表表的的长长度度,提提高高页页面面换换进进换换出出的的速速度度,但但却却又又会会使使页页内内碎碎片片增增大大。因因此此,页页面面的的大大小小应应选选择择得得适适中中,且页面大小应是且页面大小应是2的幂,通常为的幂,通
14、常为512B8KB。2.地址结构地址结构分页地址中的地址结构如下:分页地址中的地址结构如下:页号P位移量W3112110对对某某特特定定机机器器,其其地地址址结结构构是是一一定定的的。若若给给定定一一个个逻逻辑辑地地址址空空间间中中的的地地址址为为A,页页面面的的大大小小为为L,则则页页号号P和和页页内地址内地址d可按下式求得:可按下式求得:3.页表页表图 4-11 页表的作用 4.4.2地址变换机构地址变换机构1.基本的地址变换机构基本的地址变换机构图 4-12 分页系统的地址变换机构 2.具有快表的地址变换机构具有快表的地址变换机构图 4-13 具有快表的地址变换机构【例1】考虑一个由8个
15、页面,每页有1024个字节组成的逻辑空间,把它装入到有32个物理块的存储器中,问:(1)逻辑地址需要多少二进制位表示?(2)物理地址需要多少二进制位表示?解:因为页面数为8=23,故需要3位二进制数表示。每页有1024个字节,1024=210,于是页内地址需要10位二进制数表示。32个物理块,需要5位二进制数表示(32=25)。(1)、页的逻辑地址由页号和页内地址组成,所以需要3+10=13位二进制数表示。(2)、页的物理地址由块号和页内地址的拼接,所以需要5+10=15位二进制数表示。例例2、分页存储管理中页表如图。页面大小为、分页存储管理中页表如图。页面大小为1024B,试将逻辑地址试将逻
16、辑地址1011,2148,4000,5012转化为相应转化为相应的物理地址。的物理地址。物理地址页的大小物理地址页的大小L 块号块号f页内地址页内地址d 解:解:设页号为设页号为p,页内位移为,页内位移为d,则:,则:(1)逻辑地址)逻辑地址1011,pINT(1011/1024)0,d1011 mod 10241011。查页表第。查页表第0页对应第页对应第2块,块,物理地址为物理地址为1024 210113059。(2)对于逻辑地址)对于逻辑地址2148,pINT(2148/1024)2,d2148 mod 1024100。查页表第。查页表第2页对应第页对应第1块,块,物理地址为物理地址为1
17、0241001124。(3)对于逻辑地址)对于逻辑地址4000,pINT(4000/1024)3,d4000 mod 1024928。查页表第。查页表第3页对应第页对应第6块,块,物理地址为物理地址为1024 69287072。(4)对于逻辑地址)对于逻辑地址5012,pINT(5012/1024)4,d5012 mod 1024916。因页号超过页表长度,。因页号超过页表长度,该逻辑地址非法。该逻辑地址非法。页号块号021321364.3.3两级和多级页表两级和多级页表现现代代的的大大多多数数计计算算机机系系统统,都都支支持持非非常常大大的的逻逻辑辑地地址址空空间间(232264)。在在这这
18、样样的的环环境境下下,页页表表就就变变得得非非常常大大,要要占占用用相相当当大大的的内内存存空空间间。例例如如,对对于于一一个个具具有有32位位逻逻辑辑地地址址空空间间的的分分页页系系统统,规规定定页页面面大大小小为为4KB即即212B,则则在在每每个个进进程程页页表表中中的的页页表表项项可可达达1兆兆个个之之多多。又又因因为为每每个个页页表表项项占占用用一一个个字字节节,故故每每个个进进程程仅仅仅仅其其页页表表就就要要占占用用4KB的的内内存存空空间间,而而且且还还要要求求是是连连续续的的。可可以以采采用用这这样样两两个个方方法法来来解解决决这这一一问问题题:采采用用离离散散分分配配方方式式
19、来来解解决决难难以以找找到到一一块块连连续续的的大大内内存存空空间间的的问问题题:只只将将当当前前需需要要的的部部分分页页表表项项调调入入内内存存,其其余余的的页页表表项项仍驻留在磁盘上,需要时再调入。仍驻留在磁盘上,需要时再调入。1.两级页表两级页表(Two-LevelPageTable)逻辑地址结构可描述如下:逻辑地址结构可描述如下:图 4-14 两级页表结构 图图4-15具有两级页表的地址变换机构具有两级页表的地址变换机构2.多级页表多级页表对对于于32位位的的机机器器,采采用用两两级级页页表表结结构构是是合合适适的的;但但对对于于64位位的的机机器器,如如果果页页面面大大小小仍仍采采用
20、用4KB即即212B,那那么么还还剩剩下下52位位,假假定定仍仍按按物物理理块块的的大大小小(212位位)来来划划分分页页表表,则则将将余余下下的的42位位用用于于外外层层页页号号。此此时时在在外外层层页页表表中中可可能能有有4096G个个页页表表项项,要要占占用用16384GB的的连连续续内内存存空空间间。必必须须采采用用多多级级页页表表,将将外外层层页页表表再再进进行行分分页页,也也是是将将各各分分页页离离散散地地装装入入到到不不相相邻邻接接的的物物理理块块中中,再再利利用用第第2级级的的外外层层页页表表来来映映射它们之间的关系。射它们之间的关系。对对于于64位位的的计计算算机机,如如果果
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