OS之《内存管理》

程序装入方式

1. 绝对装入：程序逻辑地址和物理地址是完全对应的。不现实
2. 可重定位装入：装入的时候重新 计算内存地址。程序中的实际地址加上程序载入的起始地址；但是解决不了进程挂起 后重新唤醒的问题。唤醒的后的进程载入内存地址，位置一定会发生改变的。
3. 动态运行时载入：专门有一个重定位寄存器，记录进程中程序和数据的内存起始地址；这样程序中的逻辑地址到 运行的时候加上重定位寄存器的数值，就是实际内存的逻辑地址；

程序连接方式

1. 静态连接：将编译后的多个模块，一次性连接在一起，形成一个完整的文件。此时，连接后的程序在这个完成的文件里面就有了新的地址。完成的文件就不再拆开了。

2. 装入时动态链接：编译后的一组模块，采用边载入边链接的方式。就是载入目标模块发生外部模块调用，就会将外部模块装入内存。
   
   2.1 在发生某一个模块修改或者更新的时候， 更新个别的模块就可以了。
   
   2.2 便于实现对目标模块的共享：如果是静态连接的方式，每一个完整的模块都将包含目标模块的拷贝。无法实现共享；动态连接就可以共享；

3. 运行时动态链接：代码运行的时候需要某些模块不在内存中，就动态的加入内存，然后将其链接到调用这模块上。
   
   3.1 凡是在运行过程中没有被用到的模块，就都不会被调入内存和被链接到调用者程序。这样加快了程序的载入过程，而且节省了空间。
   
   3.2 一个程序可能很大，但是当前执行起来并不需要所有的模块都加载进来。全部加载进来一个是慢，一个是浪费内容空间。

内存分配方式

1. 单一连续分配：适合单道程序；内存分用户区和系统区；这样独占了用户去内存区域了；简单，没有碎片；
2. 固定分区：分区大小固定，可以分配多个分区，每一个进程独占一个分区；
   
   2.1 分区大小相等：程序大，装不下；程序小，浪费；
   
   2.2 大小不等：根据程序的大小，分配不同大小的内存空间

内存分配

对分区按照其大小进行排队，建立一张分区表；包括分区号，分区大小，起始地址，是否分配等信息；

当有程序载入时，有内存分配程序依据用户程序的大小在表中检索，从中找到能满足程序大小的，并且是没有分配的分区，分配给该程序，然后将内存表中的该分区标记为已分配。

动态分区分配

动态分区分配又称为可变分区分配，是指根据进程的实际需要，动态的为之分配内存空间。分区分配中所用的数据结构、分区分配算法、分区的分配和回收这三方面的问题。

动态分区的数据结构

1.空闲分区表

2.空闲分区链：除了存基本信息，链表中的节点可以存更多的信息

分配内存

从链表中查找合适位置，修改是否分配状态（大小正好合适），或者修改链表（有剩余，需要分裂），然后将该分区的首地址返回。

回收内存

内存使用完成后，还要回收。这时会出现以下可能。该节点前后分区是否空闲，如果遇到空闲，则需要合并。

基于顺序搜索的动态分区分配算法

四种算法如下：

1.首次是适应算法：每次从前往后找，只要找到一个合适的就停止

2.循环首次适应算法：每次不是从头开始，而是从上次位置找到的位置开始向后找，如果找到尾部还没有找到，就从头开始找到上次位置。

3.最佳适应算法：要求空闲表要从小到大，第一个找到的就是既能满足大小的，碎片又小。这样系统就留下了很多不可用的小的碎片；

4.最坏适应算法：每次都要找一个最大的分区来使用，从大的中间分割出一部分。要求从大到小，找第一个即可。

基于索引搜索动态分区分配算法

1.快速适应算法：更具每一个分区大小，将分区分成多区表；大小相同的分区链接在一起，组成一个分区表。

a.若，需要找到一个程序应该给它分配哪一个分区，应该先据大小，锁定是在哪个分区表中查找。这样更高效。缺点是归换内存时麻烦。

b.一个程序占用大小和分区大小不相同，就会出现内存浪费的情况；

2.hash算法：将大小相同的闲分区，放在同一个链表中；再将这些列表用has表包一层。当程序需要指定大小的分区时，直接通过has能定位到是在哪个链表中，找到该链表的第一个空闲分区句可以了

动态可重定位分区分配

1.紧凑型：连续分配方式，要求程序必须载入到一个连续的内存空间。当计算机运行一段时间有，必然会被分割成很多个小空间。当，多个空间不能连续的时候，对于一个大的程序就无法被满足，实际上不连续的加起来空间是以满足该程序的。碎片话的内存就需要重新整理，将碎片内存在一起，被使用不连续的也移动到一起。频繁发生移动，严重影响性能。不考虑。

2.动态重新位：进程中程序执行的时候，才会将具体的指令逻辑地址转换成物理地址，为了保证这一转换效率高，基本不消耗性能。这里需要用到重定位寄存器。它记录了进程使用的基地址。因为程序中逻辑地址是冲0始的，所以执行的时候加上基地址就真实的逻辑地址。 当系统对内存进程碎片化整理时，只需要修改进程中的重定位地址寄存器上的值就可以。不影响程序运行。

Swapping技术

交换技术主要解决内存不够用的问题。当一个就绪态进程被选中到cpu执行时，发现系统内存不够用的时候，需要将有些进程挂起，也称为中级调度。临时到外存上。等到下次执行的时候，再从外存调回内存使用。

交换类型：

1.整体交换：是指将一个进程，整个的放到外存。优点，简单。

2.分段交换：是指可以将一个进程中的某一段占用的内存数据，换到外寸上去。因为一个程序对于那些执行完了的，或者还没有内使用的内存段，可以交换到外寸上。

实现swapping技术，必须实现的功能

1.交换空间管理：那些被交换到外存的进程要怎么样存储在哪些地方。

2.进程换出：

a.找到要换存的进程：首先选择处于阻塞或者睡眠的进程，其次是按照优先级；如果优先级都是一样的，那就按照在内存中驻留的时间

b.换出过程：只能换出那些不共享的程序或者数据。以为采用分模块运行时动态连接的方式，所以一个模块可能被多个进程使用呢。现在外存申请存储空间，申请成功才会启动磁盘，将数据写入，然后对PCB数据结构进行修改。

3.进程换入：从就绪列表中找到进程载入列表。如果缺页减率减少，系统吞吐量下降时，暂停运行对换程序。

分页存储管理方式

1.分页存储：页号|位偏移量，页表中和物理内存的块号做映射，还有一个标记当前页号对应的空间是否已被分配出去。

a.每个进程在最后一页都可能产生 ，页内碎片

2.分段存储

a.信息共享。每一个模块的程序可以被多个进程引用，减少存储

b.信息保护。一个段就可以控制了

c.动态增长。只修改一个模块对应的一个段的大小即可

d.动态链接。程序用到的时候才加载进来。

3.段页存储：外层段表，内存页表

地址转换

• 对于一个给定的虚拟地址，首先将其分为两部分：页号和页内偏移。假设虚拟地址为 32 位，页面大小为 4KB，那么高 20 位表示页号，低 12 位表示页内偏移。
• 以虚拟地址0x12345678为例，根据页面大小，将其划分为页号0x1234和页内偏移0x5678。
• 然后，通过页号查找页表，找到对应的物理页面号。如果页表项中存在有效的物理页面号映射，就获取该物理页面号。
• 最后，将获取的物理页面号与页内偏移组合起来，就得到了对应的物理内存地址。例如，如果找到的物理页面号为0xABCD，那么物理内存地址就是0xABCD5678。

不论是哪种表，都要两次访问内存，低效。所以，有了快表（特殊的高速缓冲区），还有对应物理硬件支持，使用高速缓存寄存器。

但是，这种缓冲大小有限，所以如何高效的利用，才是关键。

有效访问时间是衡量的重要指标。在没有引用高速缓冲器的时候，需要两次访存的时间为2t。在使用以后，随着命中率的提高，有效访问时间有明显提升。

如何提高命中率，是一个有趣的领域。

硬件中，局部性原理，指令和数据在主存中都是连续存放的。所以，程序一段时间内基本上都是连续使用同样的数据。

由于高速缓冲大小有限，所以，页表和段表一般需要用多级才能实现。