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3.1内存管理, 内存空间的分配与回收 - Coggle Diagram

- - - - 对换区连续分配方式
        
        占磁盘空间的小部分，驻留时间段，频率高，追求提高进程换入换出速度
      - 文件区离散分配方式
        
        占磁盘空间的大部分，较长时间驻外存，追求提高储存空间利用率
      - 换入换出过程
        
        换出
        
        首先选择阻塞或睡眠进程（优先级、驻留时间）→申请对换空间→启动磁盘
        
        只能换出非共享的程序和数据段，PCB常驻内存不换出
        
        换入
        
        查看PCB集合，找出就绪进程（换出时间，大于规定），申请内存→成功则调入内存，失败先换出
    - - 页面（分段/部分）对换
        
        以进程的一个页面/分段为单位进行，目的是为了支持虚拟存储系统
      - 整体/进程对换
        
        以进程为单位，处理机中级调度，广泛应用于多道程序系统
- - - - 边装入边链接，装入时调用其他才装入内存
      - 便于修改和更新
        便于实现对目标模块的共享
    - - 程序执行中需要，操作系统才装入链接
      - 快、节省内存
    - - 程序运行前先链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开
  - - - 编译时产生绝对地址，装入时不需要修改
        单道，绝对地址可编译或汇编时给出，也可以程序员直接赋予，通常程序中用符号地址，编译或汇编时转换为绝对地址
    - - 内存需求
        
        一个作业装入时必须分配要求的全部内存空间，无则不装
      - 编址方式
        
        始址从0，其他地址相对于始址，
      - 重定位
        
        装入时对目标程序中指令和数据的修改
      - 地址变换时机
        
        装入时地址变换，一次完成
        
        运行期间不能在内存中移动、申请空间
    - - 地址变换时机
        
        地址转换在程序执行时才进行，装入内存后还是相对地址
      - 内存需求
        
        可以将程序分配到不连续的存储区；
        在程序运行之前可以只装入部分代码投入运行；
        运行时根据需要动态申请分配内存
      - 优点
        
        便于程序段共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间
        允许程序在内存中移动，（对换系统中多次换入换出）
      - 重定位
        
        需要重定位寄存器，存放装入模块存放的起始地址
- - - - 地址结构
        
        页号P/页内偏移量W，地址结构决定虚拟内存寻址空间有多大
      - 页面和页面大小
        
        进程中的块称为页，内存中的块称为页框或页帧，外存同样划分，称为块
        页和页框一一对应，页面大小应为2的整数幂
      - 页表
        
        记录页面在内存中对应的物理块，页表一般存放在内存中
        
        页表项
        
        页号/物理内存中的块号，页号连续，可以隐含，可以设置存取控制字段保护读/写
        页表项的第二部分于地址的第二部分共同组成物理地址
    - - 快表
        寄存器增加
        
        逻→物过程
        
        若找到匹配页号，则直接取出页框号，形成物理地址
        
        未找到，访问主存中的页表，读出页表项后同时存入快表，若已满则按算法替换
        
        CPU给出逻辑地址，硬件地址转换，页号送入高速缓冲存储器，并与快表中所有页号比较
        
        高速缓冲存储器/相联存储器TLB
        
        特点
        
        有并行查找能力；
        由于成本的关系，快表不可能做的很大
        
        作用
        
        用于存放当前访问的若干页表项
        
        命中率
        
        命中率可达90%以上
        
        与之相比，主存的页表是慢表
      - 两级页表
        
        通过层次结构压缩页表，上一级页表（外层页表）用于储存页表的映射关系，几个页面对应几个页表项，
        上一级（顶级）页表只需要一页，进程执行时只需将其调入内存，页表和页面执行中再调入
        因此外层页表需增设状态为S，表示是否在内存中
        
        逻辑地址空间的格式
        
        一级页号/二级页号/页内偏移
        
        产生原因
        
        页表较大时，因为必须全部进入内存，降低内存利用率，且需要较大连续内存空间
        建立索引，不用浪费主存空间储存无用的页表项，也不用顺序查找大量页表项，页面可以离散存放
        
        地址变换机构
        寄存器增加
        
        增设一个外层页表寄存器，用来寄存外层页表的始址
      - 基本地址变换机构
        寄存器增加
        
        逻→物过程
        
        比较页号P和页表长度M，若超出则越界中断
        
        页表中的页号P对应的页表项地址=页表始址F+页号P×页表项长度
        取出物理块号b，装入物理地址寄存器
        
        计算页号P和页内偏移量W，分页地址变换机构自动划分
        
        计算得到物理地址，访问内存，
        （有效地址寄存器中的页内地址送到物理地址寄存器中的块地址字段中）
        
        硬件自动完成，因为执行频率高
        
        访存次数
        
        存取需两次访问内存：第一次访问页表，确定物理地址；
        第二次根据地址存取数据或指令
        
        页表寄存器PTR
        
        作用
        
        页表功能由一组专门的寄存器实现，一个页表项一个寄存器，寄存器访问速度高，有利于提高地址变换速度
        
        内容
        
        存放页表在内存的起始地址F和页表长度M，对用户透明
        
        个数与其他
        
        F和M在进程未执行时放在进程控制块中，执行时存入页表寄存器，系统中只设置一个页表寄存器（单处理机）
      - 主要问题
        
        每次访存都需要地址转换，必须足够快，否则访存速度降低
        每个进程引入页表，页表不能太大，否则内存利用率降低
      - 硬件自动完成，对用户完全透明
      - 作用
        
        逻辑地址→物理地址，本质是逻辑地址中的页号转物理地址中的块号，通过页表完成
  - - - 划分方式
        
        按照用户进程中的自然段划分逻辑空间，
        段内连续，段间不连续，地址空间是二维的
      - 逻辑地址结构
        
        用户不透明
        
        必须由用户显示提供，高级程序设计语言中，由编译程序完成
        
        段号S/段内偏移量W
    - - 考虑用户和程序员，以满足方便编程、信息保护和共享、动态增长及动态链接等多方面的需要
    - - 段号/段长/本段在主存中的始址
      - 作用
        
        逻→物
      - 个数
        
        每个进程一个
      - 位置
        
        可以存放在一组寄存器中，放在内存中更长见
    - - 设置段表寄存器，用于存放段表始址F和段表长度M
    - - 比较段号S和段表长度M，若大于则越界中断
      - 段号S对应的段表项地址=段表始址F+段号S×段表项长度
        取出该段表项中的前几位得到段长C，和页内偏移量比较
      - 从逻辑地址中取出段号S和偏移量W
      - 取出段表项中的始址b，E=b+W，用得到的物理地址E访问内存
    - - 可共享
        
        纯代码/可重入代码，这样不能被修改的代码可以共享
        不属于临界资源
      - 不可共享
        
        可修改的代码和数据不能共享
      - 共享方式
        
        两个作业的段表中相应表项指向被共享的段的同一个物理副本
    - - 存取控制保护
      - 地址越界保护
        
        页内偏移可能越界
    - - 反应程序的逻辑结构，有利于分段共享、分段保护，（比分页容易），动态链接和动态增长
  - - - 段号S/页号P/页内偏移量W
    - - 每个进程一张段表，每个分段一个页表，（进程中多个页表）
      - 过程
        
        段表查到页表始址，页表找到页帧号，形成物理地址
      - 段表项
        
        段号/页表长度/页表始址
      - 访存次数三次
      - 地址空间二维
      - 地址变换机构
        
        段表寄存器
    - - 先分段再分页
- - - - 分区大小相等
        
        缺乏灵活性，用于利用一台计算机控制多个相同对象的场合
      - 分区大小不等
        
        划分为多个较小分区，适量的中等分区和少量大分区
        
        缺点
        
        程序太大放不进任何分区，需要用覆盖技术
        主存利用率低，内部碎片
        
        分区说明表
        
        建立方式
        
        按分区大小排队，包括分区的始址、大小及状态（是否已分配）
        
        查找方式
        
        用户程序装入时检索表，找到合适的分区，状态置为已分配；找不到则拒绝
      - 分配方式
        
        每个分区一道作业，有空闲分区使从外存后备作业中选择适当大小的作业
    - - 无外部碎片，不能实现多进程共享一个主存区，存储空间利用率低
  - - - 预先不划分，进程装入内存时动态建立分区，因此刚好适合进程需要
    - - 最佳适应算法
        容量递增
        
        外部碎片最多
        排序或遍历查找
      - 最坏适应算法
        容量递减
        
        没有可用的大内存块
        排序或遍历查找
      - 首次适应算法
        地址递增
        
        最简单、最好、最快
        低地址和部分出现很多小的空闲区，且每次分配查找时都经过，增加查找开销
        简单查找
      - 邻近适应算法
        
        末尾分配空间分裂成小碎片
    - - 紧凑，解决外部碎片，移动作业位置，拼接分散小分区，需要动态重定位寄存器
      - 随着时间推移，内存中碎片越来越多，外部碎片
  - - - 用户区
      - 系统区
        
        仅供操作系统使用，通常在低地址部分
    - - 优：简单，无外部碎片，可用覆盖
        缺：只能用于单用户、单任务的操作系统，有内部碎片，存储器利用率极低