操作系统第4章课件.ppt
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1、2022年8月3日星期三第第4 4章章 存储器管理存储器管理2022年8月3日星期三4.1 存储器管理的基本知识存储器管理的基本知识4.2 连续分配方式连续分配方式4.3 基本分页存储管理方式基本分页存储管理方式4.4 基本分段存储管理方式基本分段存储管理方式4.5 段页式存储管理方式段页式存储管理方式4.6 虚拟存储器的基本知识虚拟存储器的基本知识4.7 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式4.8 页面置换算法页面置换算法4.9 请求分段存储管理方式请求分段存储管理方式2022年8月3日星期三熟练掌握:熟练掌握:最佳置换和先进先出页面置换算法,理解并掌最佳置换和先进先出页面置换算法,理解
2、并掌握最近最久未使用置换算法,了解握最近最久未使用置换算法,了解ClockClock、最少使用、最少使用和页面缓冲置换算法和页面缓冲置换算法掌握:掌握:存储器管理的基本概念,分页存储管理方式和分存储器管理的基本概念,分页存储管理方式和分段存储管理方式的基本原理,虚拟存储器的基本概念,段存储管理方式的基本原理,虚拟存储器的基本概念,请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式。了解:了解:程序装入的方式和实现链接的方法程序装入的方式和实现链接的方法,几种连续分几种连续分配方式,对换和覆盖技术,段页式存储管理技术,领配方式,对换和覆盖技术,段页式存储管理技术,领会虚拟存储器的实现方式,请求分页、请求分
3、段中的会虚拟存储器的实现方式,请求分页、请求分段中的硬件支持。硬件支持。2022年8月3日星期三4.1.1 4.1.1 存储器管理存储器管理的功能的功能 1 1内存空间的分配和回收内存空间的分配和回收 内存内存分配的主要任务是采用一定的数据结构,按照一定的算法为分配的主要任务是采用一定的数据结构,按照一定的算法为每一道程序分配内存空间,并记录内存空间的使用情况和作业的分配每一道程序分配内存空间,并记录内存空间的使用情况和作业的分配情况。当程序运行结束后,其所占用的内存空间必须归还给操作系统,情况。当程序运行结束后,其所占用的内存空间必须归还给操作系统,即回收内存空间。即回收内存空间。2 2地址
4、转换地址转换 所谓所谓地址转换是指将用户程序的逻辑地址转换为运行时能由机器地址转换是指将用户程序的逻辑地址转换为运行时能由机器直接寻址的物理地址的过程,也称为地址映射(即程序装入)。直接寻址的物理地址的过程,也称为地址映射(即程序装入)。4.1 4.1 存储器管理存储器管理的基本概念的基本概念 2022年8月3日星期三 3 3内存空间的共享与保护内存空间的共享与保护 在在多道程序设计的系统中,内存中允许同时装入多个作业,多道程序设计的系统中,内存中允许同时装入多个作业,这些作业在执行时可能要调用共同的程序或数据,这就是内存的这些作业在执行时可能要调用共同的程序或数据,这就是内存的共享。存储保护
5、的工作一般由硬件和软件配合实现。共享。存储保护的工作一般由硬件和软件配合实现。4 4内存空间内存空间的扩充的扩充 由于内存空间有限,有的作业太大无法调入内存运行,因此由于内存空间有限,有的作业太大无法调入内存运行,因此需要借助于覆盖、交换和虚拟存储技术,为用户提供比内存大的需要借助于覆盖、交换和虚拟存储技术,为用户提供比内存大的地址空间,使用户编写程序时不必考虑内存的实际容量,使计算地址空间,使用户编写程序时不必考虑内存的实际容量,使计算机系统似乎有一个比实际内存容量大得多的内存空间,从而保证机系统似乎有一个比实际内存容量大得多的内存空间,从而保证大作业和多通道作业的正常运行。大作业和多通道作
6、业的正常运行。2022年8月3日星期三4.1.2 4.1.2 程序程序的装入的装入将一个用户源程序变为一个可在内存中执行的程序,处理过程如下:将一个用户源程序变为一个可在内存中执行的程序,处理过程如下:(1 1)编译)编译(2 2)链接)链接(3 3)装入)装入源程序的执行过程源程序的执行过程2022年8月3日星期三 将将一个程序装入内存,可采用一个程序装入内存,可采用3 3种方式:种方式:1 1绝对装入方式绝对装入方式 由由装入程序根据装入模块中的地址将程序和数据装入内存。程序装入程序根据装入模块中的地址将程序和数据装入内存。程序中所使用的绝对地址中所使用的绝对地址 2 2可重定位装入方式可
7、重定位装入方式 又又称静态重定位装入,装入程序根据内存当前的实际使用情况,称静态重定位装入,装入程序根据内存当前的实际使用情况,将装入模块装入到内存适当的地方,地址变换在装入时一次完成。这将装入模块装入到内存适当的地方,地址变换在装入时一次完成。这种方式采用相对地址来存放程序和数据。种方式采用相对地址来存放程序和数据。3 3动态运行时装入方式动态运行时装入方式 又又称动态重定位装入,在把装入模块装入内存后,并不立即把装称动态重定位装入,在把装入模块装入内存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序真
8、正要执行时才进行。序真正要执行时才进行。2022年8月3日星期三4.1.3 4.1.3 程序程序的链接的链接实现链接的方法有实现链接的方法有3 3种:种:1.1.静态链接静态链接静态链接是指事先进行链接,以后静态链接是指事先进行链接,以后不再拆开。不再拆开。静态链接示意图静态链接示意图2022年8月3日星期三2.2.装入时动态链接装入时动态链接边装入边链接边装入边链接 其优点:其优点:(1 1)便于修改和更新。)便于修改和更新。(2 2)便于实现对目标模块的共享。)便于实现对目标模块的共享。3.3.运行时动态链接运行时动态链接 将将对某些模块的链接推迟到执行时对某些模块的链接推迟到执行时才执行
9、。才执行。2022年8月3日星期三4.2.1 4.2.1 单一单一连续分配连续分配 采用采用单一连续分配方式时,内存被分成系统区和用户区两单一连续分配方式时,内存被分成系统区和用户区两个区域:系统区仅供操作系统使用,存放操作系统常驻内存的个区域:系统区仅供操作系统使用,存放操作系统常驻内存的代码和数据,通常设置在内存的低段;用户区供用户使用,它代码和数据,通常设置在内存的低段;用户区供用户使用,它是除系统区以外的全部内存区域,任何时刻内存储器中最多只是除系统区以外的全部内存区域,任何时刻内存储器中最多只有一个作业存在。有一个作业存在。4.2 4.2 连续连续分配方式分配方式2022年8月3日星
10、期三是是否否给作业分配内存空间,装入给作业分配内存空间,装入并执行该作业并执行该作业释放该作业内存空间释放该作业内存空间接受下一作业接受下一作业作业大小作业大小用户用户区空间?区空间?本次作业无本次作业无法运行法运行作业运行结束作业运行结束是是否否单一连续分配算法示意图单一连续分配算法示意图2022年8月3日星期三 单一单一连续分配方式的优点:连续分配方式的优点:(1 1)分配算法简单,易于实现)分配算法简单,易于实现(2 2)每次装入新作业时,只需要覆盖掉原来的作业)每次装入新作业时,只需要覆盖掉原来的作业 单一单一连续分配方式的缺点:连续分配方式的缺点:(1 1)存储器没有得到充分利用)存
11、储器没有得到充分利用(2 2)处理器的利用率较低)处理器的利用率较低(3 3)作业周转时间较长)作业周转时间较长(4 4)缺乏灵活性)缺乏灵活性2022年8月3日星期三4.2.2 4.2.2 固定固定分区分配分区分配 固定分区分配是满足多道程序设计的最简单的管理方式。固定分区分配是满足多道程序设计的最简单的管理方式。1 1基本思想基本思想 把内存空间划分成若干个固定大小的连续存储区,称为把内存空间划分成若干个固定大小的连续存储区,称为分区。分区。2 2内存的分配与回收内存的分配与回收 为了管理内存空间的分配和回收,系统必须设置一为了管理内存空间的分配和回收,系统必须设置一张张“内存分配表内存分
12、配表”记录各个分区的使用情况。其内容包括记录各个分区的使用情况。其内容包括分区号、分区大小、起始地址和状态(是否分配)。分区号、分区大小、起始地址和状态(是否分配)。2022年8月3日星期三4.2.2 4.2.2 固定固定分区分配分区分配 在下表所在下表所示的内存空间中,已示的内存空间中,已装入作业装入作业A A(10KB10KB)和)和B B(40KB40KB),),需要装入作业需要装入作业C C(50KB50KB),系统的),系统的内存空间情况如图所内存空间情况如图所示。示。固定固定分区内存分配表分区内存分配表区区 号号分区大分区大小(小(KBKB)起始地址起始地址(KBKB)状状 态态1
13、 116161616已分配已分配2 232323232未分配未分配3 38 86464未分配未分配4 464647272已分配已分配5 5120120136136未分配未分配2022年8月3日星期三2022年8月3日星期三3 3固定分区分配的优缺点固定分区分配的优缺点优点:优点:(1 1)解决了多个作业共享内存空间的问题)解决了多个作业共享内存空间的问题(2 2)支持多道程序设计)支持多道程序设计(3 3)容易实现)容易实现缺点:缺点:(1 1)不能充分利用内存空间,)不能充分利用内存空间,(2 2)由于分区大小事先已经决定,限制了可装入程序的大小。)由于分区大小事先已经决定,限制了可装入程序
14、的大小。(3 3)分区数目固定,限制了可同时执行的作业)分区数目固定,限制了可同时执行的作业数目。数目。2022年8月3日星期三4.2.3 4.2.3 动态动态分区分配分区分配 1 1基本思想基本思想 动态分区指动态分区指系统不预先划分固定分区,而是在作业装入内系统不预先划分固定分区,而是在作业装入内存时才建立分区,使为作业分配的分区大小刚好等于该作业的存时才建立分区,使为作业分配的分区大小刚好等于该作业的需求量,且分区个数是可变的。需求量,且分区个数是可变的。2022年8月3日星期三 例如例如,有一个,有一个256KB256KB的内存,其中操作系统占的内存,其中操作系统占16KB16KB,用
15、户区,用户区占占240KB240KB,内存的分配变化,内存的分配变化过程如下图所示。过程如下图所示。2022年8月3日星期三已已分配分区表分配分区表区区 号号分区大小分区大小起始地址起始地址状状 态态1 116161616已分配已分配2 220203232已分配已分配3 3-未分配未分配4 48 86464已分配已分配5 540407272已分配已分配6 6-未分配未分配空闲空闲分区表分区表区区 号号分区大小分区大小起始地址起始地址状状 态态11252可用可用2144112可用可用2022年8月3日星期三 2 2动态分区的分配算法动态分区的分配算法 (1 1)首次适应算法)首次适应算法 每次每
16、次分配分区时,操作系统顺序查找空闲分区表,把最先能分配分区时,操作系统顺序查找空闲分区表,把最先能够满足要求的空闲分区够满足要求的空闲分区进行分割。进行分割。(2 2)最佳适应算法)最佳适应算法 为为一个作业选择分区时总是寻找其大小最接近于作业要求的一个作业选择分区时总是寻找其大小最接近于作业要求的内存分区。内存分区。(3 3)最坏适应算法)最坏适应算法 与与最佳适应算法相反,空闲分区按长度从大到小顺序链接,最佳适应算法相反,空闲分区按长度从大到小顺序链接,空闲分区表中的第一个空闲分区总是空闲分区表中的第一个空闲分区总是最大的。最大的。2022年8月3日星期三【例例4-14-1】某系统采用动态
17、分区管理计算。某时刻在内存有某系统采用动态分区管理计算。某时刻在内存有3 3个空闲区,个空闲区,它们的首地址和大小分别是:空闲区它们的首地址和大小分别是:空闲区1 1(100KB100KB,10KB10KB),空闲区),空闲区2 2(200KB200KB,30KB30KB),空闲区),空闲区3 3(300KB300KB,15KB15KB)。现有如下作业序列:)。现有如下作业序列:作业作业1 1需要需要15KB15KB,作业,作业2 2需要需要16KB16KB,作业,作业3 3需要需要10KB10KB。要求:。要求:(1 1)画出该时刻内存分配图。)画出该时刻内存分配图。(2 2)画出采用首次适
18、应算法和最佳适应算法后的内存分配图。)画出采用首次适应算法和最佳适应算法后的内存分配图。2022年8月3日星期三解:(解:(1 1)作业序列装入主存之前,内存的分配图如图所示。)作业序列装入主存之前,内存的分配图如图所示。10KB30KB15KB315KB315KB300KB300KB230KB230KB200KB200KB110KB110KB100KB100KB0KB0KB2022年8月3日星期三 (2 2)采用首次适应算法和最佳适应算法分配作业内存示意图)采用首次适应算法和最佳适应算法分配作业内存示意图如图如图所示。所示。作业作业3 3(10KB10KB)15KB15KB100KB100K
19、B110KB110KB200KB200KB230KB230KB15KB15KB300KB300KB315KB315KB(a)(a)首次适应算法首次适应算法(15KB15KB)0KB 0KB100KB100KB110KB110KB200KB200KB230KB230KB300KB300KB315KB315KB(b)(b)最佳适应算法最佳适应算法作业作业3 3(10KB10KB)作业作业2 2(16KB16KB)14KB14KB作业作业1 1(15KB15KB)0KB0KB2022年8月3日星期三3 3动态分区内存回收动态分区内存回收一般情况应考虑四种可能性:一般情况应考虑四种可能性:(1 1)回
20、收分区与前空闲分区相邻)回收分区与前空闲分区相邻(2 2)回收分区与后空闲分区相邻)回收分区与后空闲分区相邻(3 3)回收分区与前后空闲分区相邻)回收分区与前后空闲分区相邻(4 4)回收分区不与任何空闲分区相邻)回收分区不与任何空闲分区相邻2022年8月3日星期三4 4动态分区分配的优缺点动态分区分配的优缺点优点:分区大小不固定,管理方式比较灵活优点:分区大小不固定,管理方式比较灵活缺点:产生大量的容量较小的空闲分区,因而降低了系统的效率。缺点:产生大量的容量较小的空闲分区,因而降低了系统的效率。2022年8月3日星期三4.2.4 4.2.4 动态重定位动态重定位分区分配分区分配 1 1基本思
21、想基本思想 移动移动所有已分配的分区,使之成为一个连续的区域,从而把所有已分配的分区,使之成为一个连续的区域,从而把碎片集中成一个较大的空闲区,这个移动的过程称为碎片集中成一个较大的空闲区,这个移动的过程称为“紧凑紧凑”或或“聚拢聚拢”。2022年8月3日星期三2 2紧凑的时机紧凑的时机(1 1)是立即靠拢是立即靠拢(2 2)是需要时靠拢)是需要时靠拢3 3动态重定位分区分配的优缺点动态重定位分区分配的优缺点优点:消除了碎片,提高了优点:消除了碎片,提高了内存利用率。内存利用率。缺点:增加了计算成本,降低了计算机缺点:增加了计算成本,降低了计算机的速度。的速度。2022年8月3日星期三4.2.
22、5 4.2.5 对换和覆盖对换和覆盖1 1覆盖覆盖就是一个进程的若干个程序段,或几个进程的某些部分共享同一就是一个进程的若干个程序段,或几个进程的某些部分共享同一内存空间内存空间2 2对换对换 指将内存中暂时不运行的进程调出内存,存放在外存的交换区指将内存中暂时不运行的进程调出内存,存放在外存的交换区 中,以便腾出足够的内存空间,装入新程序或把已具备运行条件的进中,以便腾出足够的内存空间,装入新程序或把已具备运行条件的进程调入内存并让其执行的一种内存扩充技术。程调入内存并让其执行的一种内存扩充技术。2022年8月3日星期三4.3 4.3 基本基本分页存储管理方式分页存储管理方式 4.3.14.
23、3.1基本分页存储管理的基本原理基本分页存储管理的基本原理1.1.内存块或块内存块或块 2.2.辑页面或页辑页面或页 3.3.页内碎片页内碎片 4.4.页表页表(1 1)页号)页号 (2 2)页面对应的块号)页面对应的块号2022年8月3日星期三0 0页页1 1页页作业作业A A作业作业B B0 0页页1 1页页2 2页页3 3页页0 20 21 51 5作业作业A A页表页表作业作业B B页表页表0 00 01 31 32 72 73 43 40 01 12 23 34 45 56 67 7内存空间内存空间分分页存储管理示意图页存储管理示意图2022年8月3日星期三4.3.2 基本基本分页存
24、储管理的地址变换机构分页存储管理的地址变换机构 由逻辑地址计算出页号和页内地址的方法:由逻辑地址计算出页号和页内地址的方法:l 页号页号=逻辑地址逻辑地址/页长页长 (商)(商)l 页内地址页内地址=逻辑地址逻辑地址modmod页长页长 (余)(余)l 由块号计算物理地址的计算方法为:由块号计算物理地址的计算方法为:l 物理地址物理地址=块号块号块长块长+块内地址块内地址+用户区基址用户区基址1.1.硬件支持硬件支持(1 1)页表寄存器)页表寄存器 (2 2)逻辑地址寄存器)逻辑地址寄存器 (3 3)物理地址寄存器)物理地址寄存器 (4 4)越界中断机构)越界中断机构 2022年8月3日星期三
25、2.2.地址转换过程地址转换过程2022年8月3日星期三【例例4-24-2】某系统采用基本分页存储管理方式,其逻辑地址结构为某系统采用基本分页存储管理方式,其逻辑地址结构为1616位,位,其中,页内地址占其中,页内地址占1010位,页号占位,页号占6 6位。某作业有位。某作业有5 5页,页号为页,页号为0404,依,依次存放在内存的次存放在内存的2 2、3 3、4 4、7 7、8 8块中。试问:块中。试问:(1 1)作业的虚存地址空间有多大?)作业的虚存地址空间有多大?(2 2)系统的页面大小是多少?)系统的页面大小是多少?(3 3)逻辑地址)逻辑地址50005000对应的物理地址是多少?对应
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