3．2 存储管理

 

3．2  存储管理

3．2．1 基本功能和相关的概念

1．存储管理的基本功能

（1）内存空间的分配和去分配

（2）地址转换

（3）存储空间保护

（4）内存空间的扩充

2．有关存储管理的概念

（1）绝对地址与相对地址

绝对地址又称物理地址或实地址，是指程序在主存储器中的地址编码。

相对地址又称逻辑地址或虚地址，是指程序本身的地址编码，一般从零地址开始。

（2）存储空间与地址空间

存储空间又称物理地址空间，由绝对地址对应的主存空间组成。

地址空间又称逻辑地址空间，由逻辑地址的集合组成。

（3）重定位

  可执行程序装入内存时，逻辑地址与绝对地址一般是不相符的，必须通过地址转换机构将逻辑地址转换成绝对地址，称为重地位。重定位的方式有静态重定位和动态重定位两种。

  静态重定位是在程序装入时完成的，而动态定位是在程序运行时完成的。

  存储管理的形式很多，致使很多同学感到内容很多又很零碎，因此建议大家在学习这部分内容时，不要把各种方式孤立起来，而应用连贯、发展的眼光来看待，因为各种形式之间是有联系的，一般来说，后者是前者的改进与补充。

3．2．2 实存储管理

  失存储管理方式要求把每一个作业放在主存的一片连续区域中，为了满足多道程序的要求，必须把主存的用户区分成若干个连续分区。根据不同的分区划分方式，可以有以下几种管理形式：

1．     固定分区分配

把主存用户区划分成若干大小不等的分区，按作业的大小选择合适的分区。

问题：作业地址空间不可能与分区大小绝对相等，因而出现了“碎片”，浪费了存储空间。

2． 可变分区分配

根据作业实际需求量对用户区进行动态分割，系统设置一张链表或数组，用来登记当时用户区的空闲块，作为动态分配和回收主存空间的依据。可变分区常用的存储空间分配策略有三种。

（1）首次适应算法：选择所碰到的第一个满足作业存储量要求的块分配给用户。

（2）最佳适应算法：选择满足作业需求块中最小的一块分配给用户。

（3）最差适应算法：在空闲块中选出满足作业要求的最大块分配给用户。

问题：经过多次分配和回收以后，用户区中可能会出现很多零碎的空间，不足以放入一个作业，也称为“碎片”，使新作业无法进入内存。

3．可重定位分区分配

为解决可变分区分配的碎片问题，在适当时候对内存进行“紧缩”，即将内存中的作业移向存储区一端，而将空闲块集中到另一端，构成较大的空闲块以便新的作业进入。

由于紧缩工作是在程序执行过程中进行的，因此要对内存中的程序重新定位，称为动态重定位，它需要借助一些硬件设备来完成。

问题：紧缩过程需要耗费时间，不宜频繁进行。

4． 内存“扩充”技术

在上述分区分配方式下，当内存空间小于作业所需的空间时，作业就无法进入内存运行。在不增加物理内存容量时，一般采用“覆盖”和“交换”技术来“扩充”内存。

（1）覆盖

系统提供用户覆盖机构，它将整个作业分为常驻内存和覆盖两部分，用户只要将最大的子程序作为覆盖区告诉系统，即可运行。

问题：要求用户把作业如何分段和作业的可覆盖情况写成覆盖描述文件，同作业一起交给操作系统。

（2）交换

当内存不够时，系统按一定的策略设法腾空一些内存空间，也即采用强制方法把内存中部分内容暂时放到外存中去。

问题：以整个作业进行内外存交换，代价较大。

3．2．3 虚拟存储管理

虚拟存储管理是通过把内、外存统一起来管理，给用户造成一种仿佛系统内具有巨大内存供用户使用的假象。

虚拟存储管理与实存储管理在理念上的差别是：虚拟存储管理认为作业在内存空间中不一定要求连续存放，其次作业在运行时不必全部都同时放在内存中，可以允许有一部分放在外存中，只要保证当时被执行的那部分在内存即可。

虚拟存储管理把作业的相对地址称为“虚拟地址”，作业的地址空间为“虚拟地址空间”；把分配给该作业的物理地址称为“实在地址”，该存储空间为“实在地址空间”。作业在运行时，只要时时保证作业的实在地址与虚拟地址的对应关系，而并不在乎虚拟地址空间与实在地址空间大小是否相等，实际上实在地址空间远比虚拟地址地址空间小。虚拟存储器的容量取决于内存与外存的容量。一个虚拟存储器的最大容量由计算机的地址结构确定。

1． 分页存储管理

（1）基本思路

·页  把作业的逻辑地址空间分成若干个长度相等的区域，称为页。

·页架（块）  把内存空间划分成若干个与页面长度相等的区域，称为页架。程序装入内存时，每页对应一个页架，这些页架可以是不连接的，也不要求所有页面同时装入内存中。

·页表  系统为每道作业建立一张页面映射表，简称页表，记录相应页在内存中对应的页架号。

（2）地址转换

采用动态重定位。

·地址变换机构自动将逻辑地址分解为页号p和页内位移d。

·以页号为索引去检索页表，得到该页对应的页架号p’。

·将页内位移d拼接在页架号后，得到相应的物理地址。

·检索页表时，若对应该页的状态为“0”，说明该页当时不在内存中，则发出缺页中断，把该页面调入内存后再进行地址转换工作。

（3）页面更换

当系统将缺页从外存调入内存时，发现已无可用的物理空间时，则须从内存中淘汰一个页面以腾出空间装入缺页。若被淘汰的页面选择不当，可能会出现刚被淘汰的页面马上又要被访问，使系统花费大量的时间忙于进行频繁的页面交换，降低系统效率，甚至导致系统瘫痪，这种现象称为抖动现象。

常用的淘汰算法有：

·先进先出法（FIFO）

选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

·最近最久未使用法（LRU）

选择离当前时间最久未使用过的页面淘汰。

（4）优缺点

·优点  虚存量大，用户不必担心内存不够；不要求作业连续存放，有效地解决了“碎片”问题。

·缺点  要求硬件支持，增加了成本；要处理页面中断，系统开销较大，处理不当还可能产生“抖动”。

2． 分段存储管理

（1）基本思路

·段  作业中每一个模块称为段，每段占有连续的地址空间，其逻辑地址是二维的，由段号和段内地址组成。

·段表  系统为每个作业建立一张段表，记录该段在内存中的起始地址和段长。各段可存放在内存不同的分区中，也不要求所有的段同时调入内存中。

（2）地址转换

采用动态重定位

·地址转换机构取出逻辑地址的段号和段内地址。

·根据段号检索段表，找到该段的对应表目。

·将该段的起始地址与段内地址想加得到绝对地址。

·若对应该段状态为“0”，说明该段不在内存，需要通过中断调入。

（3）段的共享

由于段是有完整的逻辑意义，可以提供给多个作业共享。若多个作业段表中的某一项指向内存的同一地址，则内存中以该地址为起始地址的那一段便被共享了。

（4）优缺点

·优点  方便用户编程，便于共享与保护，便于动态链接和增长。

·缺点  增加硬件成本，由于段的长度不等，会出现与分区管理相同的“碎片”问题。

3．段页式存储管理

（1）基本思路

将段式与页式管理结合起来，克服各自存在的一些问题。它把作业分成若干段，每个段分成若干页。为了实现地址转换，必须为每个作业配置一张段表和若干张页表。

（2）地址转换

作业的逻辑地址是二维的，包括段号和段内地址，其中段内地址又包含页号和页内地址。

·地址转换机构取出逻辑地址，再将段内地址细分为页号和页内地址。

·根据段号检索段表，取出相应的页架号。

·把页架号与页内地址合并得到物理地址。

（3）优缺点

·优点  具有分段分页的优点。

·缺点  更增加硬件成本与软件复杂性。