> 清華大學 陳渝老師 操作系統教程

三、內存

計算機體系結構及內存分層體系

• 計算機體系結構
• CPU：程序/軟件執行的控制
• 內存：放置程序的代碼及其處理的數據
• 設備
• eg.鼠標、鍵盤
• 內存分層體系
• 主存（物理內存）：放置操作系統本身以及需要運行的代碼
• 磁盤（虛擬內存）：放置永久存放的數據
• 在操作系統的內存管理范例
• 操作系統中管理內存的4個目標
• 抽象
• 邏輯地址空間
• 保護
• 獨立地址空間
• 共享
• 訪問相同內存
• 虛擬化
• 更多的地址空間
• 操作系統中管理內存的不同方法
• 程序重定位
• 分段
• 分頁
• 虛擬內存
• 按需分頁虛擬內存
• 實現高度依賴于硬件
• 必須知道內存架構
• MMU（內存管理單元）：硬件組件負責處理CPU的內存訪問請求

地址空間和地址生成

• 地址空間定義
• 物理地址空間
• 硬盤支持的地址空間
• 邏輯地址空間
• 一個運行的程序所擁有的內存范圍
• 地址生成
• 邏輯地址生成
• eg.在C程序里，函數的位置、變量的名字就是一種邏輯地址
• .o 文件的地址從0開始
• 物理地址生成
• CPU方面
• 運算器需要在邏輯地址的內存內容
• 內存管理單元尋找在邏輯地址和物理地址之間的映射
• 控制器從總線發送在物理地址的內存內容的請求
• 內存方面
• 內存發送物理地址內存的內容給CPU
• 操作系統方面
• 建立邏輯地址和物理地址之間的映射
• 地址安全檢查
• 操作系統需要確保每個程序可以有效訪問的地址空間
• 起始地址
• 地址長度

連續內存分配

• 內存碎片問題
• 空閑內存不能被利用
• 外部碎片
• 在分配單元間的未使用內存
• 內部碎片
• 在分配單元中的未使用內存
• 分區的動態分配
• 簡單的內存管理方法
• 當一個程序準許運行在內存中，分配一個連續的區間
• 分配一個連續的內存區間給運行的程序以訪問數據
• 分配策略
• 首次適配
• 為了分配n字節，使用第一個可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現
• 簡單實現
• 需求
• 按地址排序的空間塊列表
• 分配需要尋找一個合適的分區
• 重分配需要檢查，看是否自由分區能合并于相鄰的空閑分區
• 優勢
• 簡單
• 易產生更大的空閑塊，向著地址空間的結尾
• 劣勢
• 易產生外碎片
• 不確定性
• 最佳適配
• 為了分配n字節，使用最小可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現
• 為了避免分割大空閑塊
• 為了最小化外部碎片產生的尺寸
• 需求
• 按尺寸排列的空閑塊列表
• 分配需要尋找一個合適的分區
• 重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區
• 優勢
• 當大部分分配是小尺寸時非常有效
• 比較簡單
• 劣勢
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易產生很多沒用的微小碎片
• 最差適配
• 為了分配n字節，使用最大可用空閑塊以致塊的尺寸比n大
• 基本原理和實現
• 為了避免又太多微小的碎片
• 需求
• 按尺寸排列的空閑塊列表
• 分配很快（獲得最大分區）
• 重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區，若有，然后調整空閑塊列表
• 優勢
• 假如分配是中等尺寸效果最好
• 劣勢
• 外部碎片
• 重分配慢
• 易于破碎大的空閑塊以致大分區無法被分配
• 壓縮式碎片整理
• 重置程序以合并孔洞
• 要求所有程序時動態可重置的
• 問題
• 何時重置
• 不能再程序運行時進行
• 開銷
• 頻繁進行此操作開銷很大
• 交換式碎片整理
• 運行程序需要更多的內存
• 搶占等待的程序和回收它們的內存