操作系统内存管理.docx

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操作系统内存管理

操作系统内存管理

1.内存管理方法内存管理主要包括虚地址、地址变换、内存分配和

回收、内存扩充、内存共享和保护等功能。

2.连续分配存储管理方式

连续分配是指为一个用户程序分配连续的内存空间。

连续分配有单一连续存储管理和分区式储管理两种方式。

2.1单一连续存储管理

在这种管理方式中，内存被分为两个区域：

系统区和用户区。

应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。

其特点是，最简单，适用于单用户、单任务的操作系统。

CP／M和DOS

2．0以下就是采用此种方式。

这种方式的最大优点就是易于管理。

但也存在着一些问题和不足之处，例如对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，使得很少使用

的程序部分也占用—定数量的内存2.2分区式存储管理

为了支持多道程序系统和分时系统，支持多个程序并发执行，引入了分区式存储管理。

分区式存储管理是把内存分为一些大小相等或不等的分区，操作系统占用其中一个分区，其余的分区由应用程序使用，每个应用程序占用一个或几个分区。

分区式存储管理虽然可以支持并发，但难以进行内存分区的共享。

分区式存储管理引人了两个新的问题：

内碎片和外碎片。

内碎片是占用分区内未被利用的空间，外碎片是占用分区之间难以利用的空闲分区（通常是小空闲分区）。

为实现分区式存储管理，操作系统应维护的数据结构为分区表或分区链表。

表中各表项一般包括每个分区的起始地址、大小及状态（是否已分配）。

分区式存储管理常采用的一项技术就是内存紧缩

（compaction）。

2.2.1固定分区（nxedpartitioning）。

固定式分区的特点是把内存划分为若干个固定大小的连续分区。

分区大小可以相等：

这种作法只适合于多个相同程序的并发执行（处理多个类型相同的对象）。

分区大小也可以不等：

有多个小分区、适量的中等分区以及少量的大分区。

根据程序的大小，分配当前空闲的、适当大小的分区。

优点：

易于实现，开销小。

缺点主要有两个：

内碎片造成浪费；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。

2.2.2动态分区（dynamicpartitioning）。

动态分区的特点是动态创建分区：

在装入程序时按其初始要求分配，或在其执行过程中通过系统调用进行分配或改变分区大小。

与固定分区相比较其优点是：

没有内碎片但它却引入了另一种碎片——外碎片。

动态分区的分区分配就是寻找某个空闲分区，其大小需大于或等于程序的要求。

若是大于要求，则将该分区分割成两个分区，其中一个分区为要求的大小并标记为“占用”，而另一个分区为余下部分并标记为“空闲”。

分区分配的先后次序通常是从内存低端到高端。

动态分区的分区释放过程中有一个要注意的问题是，将相邻的空闲分区合并成一个大的空闲分区。

下面列出了几种常用的分区分配算法：

最先适配法（nrst-fit）：

按分区在内存的先后次序从头查找，找到符合要求的第一个分区进行分配。

该算法的分配和释放的时间性能较好，较大的空闲分区可以被保留在内存高端。

但随着低端分区不断划分会产生较多小分区，每次分配时查找时间开销便会增大。

下次适配法（循环首次适应算法nextfit）：

按分区在内存的先后次序，从上次分配的分区起查找（到最后{区时再

从头开始}，找到符合要求的第一个分区进行分配。

该算法的分配和释放的时间性能较好，使空闲分区分布得更均匀，但较大空闲分区不易保留。

最佳适配法（best-fit）：

按分区在内存的先后次序从头查找，找到其大小与要求相差最小的空闲分区进行分配。

从

个别来看，外碎片较小；但从整体来看，会形成较多外碎片优点是较大的空闲分区可以被保留。

最坏适配法（worst-fit）：

按分区在内存的先后次序从头查找，找到最大的空闲分区进行分配。

基本不留下小空闲分区，不易形成外碎片。

但由于较大的空闲分区不被保留，当对内存需求较大的进程需要运行时，其要求不易被满足。

2.3伙伴系统

固定分区和动态分区方式都有不足之处。

固定分区方式限制了活动进程的数目，当进程大小与空闲分区大小不匹配时，内存空间利用率很低。

动态分区方式算法复杂，回收空闲分区时需要进行分区合并等，系统开销较大。

伙伴系统方式是对以上两种内存方式的一种折衷方案。

伙伴系统规定，无论已分配分区或空闲分区，其大

小均为2的k次幕，k为整数，I

2A1表示分配的最小分区的大小，

2Am表示分配的最大分区的大小，

通常2Am是整个可分配内存的大小

假设系统的可利用空间容量为2“m个字，则系统

开始运行时，整个内存区是一个大小为2Am的空闲分区。

在系统运行过中，由于不断的划分，可能会形成若干个不连续的空闲分区，将这些空闲分区根据分区的大小进行分类，对于每一类具有相同大小的所有空闲分区，单独设立一个空闲分区双向链表。

这样，不同大小的空闲分区形成了k（0

分配步骤：

当需要为进程分配一个长度为n的存储空间时:

首先计算一个i值，使2A（i-1）<n<2Ai,

然后在空闲分区大小为2Ai的空闲分区链表中查找。

若找到，即把该空闲分区分配给进程。

否则，表明长度为2Ai的空闲分区已经耗尽，则在分

区大小为2A（i+1）的空闲分区链表中寻找

若存在2A（i+1）的一个空闲分区，则把该空闲分区分为相等的两个分区，这两个分区称为一对伙伴，其中的一个分区用于配，而把另一个加入分区大小为2Ai的空闲分区链表中。

若大小为2A（i＋1）的空闲分区也不存在，则需要查找

大小为2A（i＋2）的空闲分区，若找到则对其进行两次分割：

第一次，将其分割为大小为2A（i+1）的两个分区，一个用于分配，一个加入到大小为2A（i+1）的空闲分

区链表中；

第二次，将第一次用于分配的空闲区分割为

2Ai的两个分区，一个用于分配，一个加入到大小为2Ai的空闲分区链表中。

若仍然找不到，则继续查找大小为2A（i+3）的空闲分

区，以此类推。

由此可见，在最坏的情况下，可能需要对2Ak的空闲

分区进行k次分割才能得到所需分区。

与一次分配可能要进行多次分割一样，一次回收也可

能要进行多次合并，如回收大小为2Ai的空闲分区时，若事

先已存在2Ai的空闲分区时，则应将其与伙伴分区合并为大小为2Ai＋1的空闲分区，若事先已存在2Ai＋1的空闲分区时，又应继续与其伙伴分区合并为大小为2Ai+2的空闲分

区，依此类推。

在伙伴系统中，其分配和回收的时间性能取决于查找空闲分区的位置和分割、合并空闲分区所花费的时间。

与前面所述的多种方法相比较，由于该算法在回收空闲分区时，需要对空闲分区进行合并，所以其时间性能比前面所述的分类搜索算法差，但比顺序搜索算法好，而其空间性能则远优于前面所述的分类搜索法，比顺序搜索法略差。

需要指出的是，在当前的操作系统中，普遍采用的是下面将要讲述的基于分页和分段机制的虚拟内存机制，该机制较伙伴算法更为合理和高效，但在多处理机系统中，伙伴系统仍不失为一种有效的内存分配和释放的方法，得到了大量的应用。

2.4内存紧缩

内存紧缩：

将各个占用分区向内存一端移动，然后将各个空闲分区合并成为一个空闲分区。

这种技术在提供了某种程度上的灵活性的同时，也存在着一些弊端，例如：

对占用分区进行内存数据搬移占用CPU时间；如果对占用分区中的程序进行“浮动”，则其重定位需要硬件支持。

紧缩时机：

每个分区释放后，或内存分配找不到满足条件的空闲分区时。

图8.12

堆结构的存储管理的分配算法：

在动态存储过程中，不管哪个时刻，可利用空间都是

-一个地址连续的存储区，在编译程序中称之为"堆"，每次分

配都是从这个可利用空间中划出一块。

其实现办法是：

设立一个指針，称之为堆指针，始终指向堆的最低（或锻联）地址。

当用户申请N个单位的存储块时，堆指针向高地址（或低地址）称动N个存储单位，而移动之前的堆指针的值就是分配给用户的占用块的初始地址。

例如，某个串处理系统中有A、B、C、D这4个串，其串值长度分别為12,6,10和8.假设堆指针free的初值为零，则分配给这4个串值的存储空间的初始地址分别为0.12.18和

28,如图8.12（a）和（b）所示，分配后的堆指针的值为36。

因

此，这种堆结构的存储管理的分配算法非常简单，

释放内存空间执行内存紧缩：

回收用户释放的空闲块就比较麻烦.由于系统的可利用

空间始终是一个绝址连续的存储块，因此回收时必须将所释放的空间块合并到整个堆上去才能重新使用，这就是"存储策缩"的任务.通常，有两种做法：

一种是一旦有用户释放存储块即进行回收紧缩，例

始，图8.12（a）的堆，在c串释放存储块时即回收紧缩，例如图8.12（c）的堆，同时修改串的存储映像成图8.12（d）的状态；

另一种是在程序执行过程中不回收用户随时释放的存储块，直到可利用空同不够分配或堆指针指向最高地址时才进行存储紧缩。

此时紧缩的目的是将堆中所有的空间块连成一块，即将所有的占用块部集中到可利用空间的低地地区，而剩余的高地址区成为一整个地继连续的空闲块，如图8.13所示，其中（a）为紧缩前的状态，（b）为紧缩后的状态・

图8.13a紧缩前b紧缩后

和无用单元收集类似，为实现存储紫编,首先要对占用块进行“标志”，标志算法和无用单元收集类同（存储块的结构可能不同）,其次需进行下列4步雄作：

（1）计算占用块的新地址。

从最低地址开始巡査整个存储空间，对每一个占用块找到它在紧缩后的新地址。

为此,需设立两个指针随巡查向前移动,这两个指针分别指示占用块在紧缩之前和之后的原地址和新地址。

因此,在每个占

用块的第-•个存储单位中，除了设立长度域（存储该占用换的大小）和标志域（存储区别该存储块是占用块或空闲块的标志）之外，还需设立一个新地址城，以存储占用块在紧缩后应有的新地址，即建立一张新，旧地址的对照表m

（2）修改用户触初始变量表，以便在存储紧缩后用户程序能继续正常运行*。

（3）检查每个占用块中存储的数据，若有指向其他存储换的指针，则需作相应修改.

（4）将所有占用块迁移到新地址走，这实质上是作传送数据的工作。

至此，完成了存储紧缩的操作，最后,将堆指针赋以新值（即紧缩后的空闲存储区的最低地址）。

可见,存储紧缩法比无用单元收集法更为复杂，前者不仅要传送数据（进行占用块迁移），而且还有需要修改所有占用块中的指针值。

因此，存储紧缩也是个系统操作，且非不得已就不用。

3.覆盖和交换技术

3.1覆盖技术

引入覆盖（overlay）技术的目标是在较小的可用内存中运行较大的程序。

这种技术常用于多道程序系统之中，与分区式存储管理配合使用。

覆盖技术的原理：

一个程序的几个代码段或数据段，按照时间先后来占用公共的内存空间。

将程序必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存；可选部分（不常用功能）平时存放在外存（覆盖文件）中，在需要时才装入内存。

不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖。

在任何时候只在内存中保留所需的指令和数据；当需要其它指令时，它们会装入到刚刚不再需要的指令所占用的内存空间；

如在同一时刻，CPU只能执行B，C中某一条。

B，C之间就可以做覆盖。

覆盖技术的缺点是编程时必须划分程序模块和确定

程序模块之间的覆盖关系，增