操作系统－计算机存储管理

深藏阁楼爱情的钟 2024-04-18 21:12 63阅读 0赞

##### 计算机操作系统的主要目标 #####

抽象：内存管理方式的抽象  
保护：限制不同进程对内核的访问  
共享：各个进程共享相同的内核空间（程序中的内核段）  
虚拟化：操作系统为每个进程虚拟出更多的空间（虚拟内存）

下面是CPU和操作系统配合下，一次内存数据访问过程：  
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##### 内存分配策略 #####

连续内存分配：  
首次适配：只要遇到空闲块，适合当前所需内存的大小，便将这一块内存分出去。  
最优适配：找最合适的内存空间分配。  
最差内存分配：找和请求内存大小差距较大的内存块进行分配。  
连续内存分配的缺点：产生的内存碎片太多，内存利用率太低。

内存整理策略：压缩式内存整理，交换式内存整理。

##### 非连续内存分配策略 #####

*  分段内存管理策略

将程序可以分成代码段，堆栈段，共享段，数据段等。为每个数据段分配相应的段号和段偏移量，在CPU访问物理内存中的段空间时，CPU先通过段号和段基址找到段偏移，并在MMU中通过段号与相应的段空间中的起始物理地址匹配，通过段起始物理地址加上段偏移即可找到相应的段数据。详细流程如下所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNjgxMjQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

不同段的物理地址不一定连续，但相同的段地址一定是一截连续的地址空间。分段内存管理策略使得不同进程可以方便的共享内存中的数据。不同段的长度是不固定的。

*  分页存储管理

页：一个程序的逻辑地址空间被划分成大小相等的页。

系统中页的大小是２的幂，物理内存被分成大小相等的帧。内存物理地址通过一个二元组确定（f,o）f是帧号（F位2的F次方个帧），o是帧内偏移（S位，2的S字节个字节）。

帧号计算公式：2^S×f+o

下面是页存储管理寻址过程：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNjgxMjQx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
逻辑空间中页的大小相等且连续，但在物理内存中会被映射到不同的物理地址段，是不连续的。

分页管理的访问性能：访问一个存储单元要两次内存访问，第一次获取页表项，第二次访问数据。  
大小问题：页表可能会很大。所占的内存大小不容忽视。

如何处理？  
缓存常用数据，间接访问多级页表的机制。

CPU快表？缓存最近访问过的页表项，TLB使用关联存储实现，具备快速访问性能。

多级页表：通过多级引用将页表分成多级，建立页表树。减少每级页表长度。

多级页表访问内存大致流程：  
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页寄存器：  
每个帧与页寄存器相关联。  
寄存器内容：使用位：此帧是否已被进程占用。  
占用页号：对应的页号  
保护位：读写访问权限

*  段页式存储管理

段页式存储管理很方便实现用户进程之间的内存共享，集中了分段存储管理和分页存储管理的优点。  
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*  伙伴系统内存管理

原理：根据应用的需求，实现规则的划分内存策略。

举个例子相信你会懂的。现在有2^u大小的内存空间，应用程序需要内存的空间是m。  
如果2×m<2^u的大小，则比较2×m是否小于2^(u-1)大小。  
如果2^(n-1)<2×m<2^u则将2^u内存分给应用程序。

释放内存并合并：合并条件是：内存是两块相邻且大小为2的幂的相等的块才能合并。

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