第五章内存管理课件.ppt

1、 软件称为计算机的灵魂，存储器软件称为计算机的灵魂，存储器则是灵魂展现活力的舞台，栖身的场则是灵魂展现活力的舞台，栖身的场所，也是与人交互信息的通道。所，也是与人交互信息的通道。内存是内存是CPUCPU直接存取指令和数据的存储直接存取指令和数据的存储器。任何一个程序（包括应用程序和器。任何一个程序（包括应用程序和OSOS本本身）必须被装入内存，才可能被执行。尽身）必须被装入内存，才可能被执行。尽管管RAMRAM芯片集成度越狱越来越高，价格不芯片集成度越狱越来越高，价格不断降低，由于其需求量大，整体价格仍较断降低，由于其需求量大，整体价格仍较昂贵，而且受昂贵，而且受CPUCPU寻址能力的限制，内

2、存寻址能力的限制，内存容量仍有限。因此，对主存的管理和有效容量仍有限。因此，对主存的管理和有效利用仍然是当含今操作系统十分重要的内利用仍然是当含今操作系统十分重要的内容。内存区域被分为两大区域：系统空间容。内存区域被分为两大区域：系统空间，用户进程空间。本章主要讲述用户区域，用户进程空间。本章主要讲述用户区域的管理方法和基本技术的管理方法和基本技术本章主要内容5.1存储管理基本概念存储管理基本概念5.2分区式存储管理分区式存储管理5.3页式存储管理页式存储管理 5.4 淘汰算法与抖动现象淘汰算法与抖动现象5.5 段式存储管理段式存储管理5.6段页式存储管理段页式存储管理5.1存储管理基本概念存

3、储管理基本概念 ：LOAD 1,5000STORE 2,5200LOAD 2,7000：LOAD 1,2500 读写保护STORE 1,7000 写保护2k4k6k8k0 R W2 W3 W内存内存5.2分区式存储管理分区式存储管理分区的基本思想是将内存区域划分成若干个大小不等的区分区的基本思想是将内存区域划分成若干个大小不等的区域，每个区域称为一个分区，每个分区存放一道进程对应的程域，每个区域称为一个分区，每个分区存放一道进程对应的程序和数据，使进程在内存中占用一个连续的区域，而且进程只序和数据，使进程在内存中占用一个连续的区域，而且进程只能在所在分区内运行。能在所在分区内运行。操作系统操作

4、系统进程进程A(6KB)进程进程B(35KB)020KB124KB256KB60KB28KB1分区分区2分区分区3分区分区4分区分区区号分区长度起始地址状态18KB20KB1232KB28KB0364KB60KB14132KB124KB0操作系统操作系统进程进程D(70KB)操作系统操作系统进程进程E(40KB)操作系统操作系统进程进程E(40KB)进程进程A(16KB)进程进程A(16KB)(26KB)(10KB)(10KB)进程进程B(90KB)进程进程B(90KB)进程进程B(90KB)进程进程C(30KB)进程进程C(30KB)(30KB)(94KB)进程进程D(70KB)进程进程D(

5、70KB)(24KB)(24KB)(a)某时刻状态某时刻状态(b)加入进程加入进程D(c)撤销进程撤销进程A和和C3.地址变换与内存保护地址变换与内存保护基址寄存器基址寄存器BR和限长寄存器和限长寄存器LR。假设。假设CPU要访问的逻要访问的逻辑地址辑地址LA，若，若LALR，则说明地址越界，将产生保护性地，则说明地址越界，将产生保护性地址越界中断，系统转出错处理。若址越界中断，系统转出错处理。若LALR，则，则LA与与BR中的基址形成有效的物理地址中的基址形成有效的物理地址PA。4.优缺点优缺点主要优点：主要优点：（1）实现了多个作业或进程对内存的共享，有助于多道程序）实现了多个作业或进程对

6、内存的共享，有助于多道程序设计，从而提高了系统的资源利用率。设计，从而提高了系统的资源利用率。（2）该方法要求的硬件支持少，管理算法简单，因而实现容）该方法要求的硬件支持少，管理算法简单，因而实现容易。易。主要缺点：主要缺点：（1）内存利用率仍然不高。存在着严重的碎小空闲区（碎片）内存利用率仍然不高。存在着严重的碎小空闲区（碎片）不能利用的问题。）不能利用的问题。（2）作业或进程的大小受分区大小控制，除非配合采用覆盖）作业或进程的大小受分区大小控制，除非配合采用覆盖和交换技术来实现内存的扩充。和交换技术来实现内存的扩充。（3）难以实现各分区间的信息共享。）难以实现各分区间的信息共享。5.3页式

7、存储管理页式存储管理 在分区式存储管理方案中，一个进程总占用一块连续的在分区式存储管理方案中，一个进程总占用一块连续的内存区域，因此产生了内存区域，因此产生了“零头零头”问题。虽然采用拼接技术可问题。虽然采用拼接技术可以使零散的以使零散的“零头零头”连成一片，但要花费大量的处理机时间。连成一片，但要花费大量的处理机时间。为了更好地解决零头问题，人们提出了另一种内存存储管理为了更好地解决零头问题，人们提出了另一种内存存储管理方案，即方案，即分页式存储管理方案分页式存储管理方案。该管理方案将一个进程存放。该管理方案将一个进程存放在不连续的内存区域中。有在不连续的内存区域中。有 。012 。1213

8、14151617181920 01234。（1 1）页表）页表2.2.数据结构数据结构（2 2）请求表）请求表（3 3）存储页面表）存储页面表 页号页面号012113218 作用：页号页面号014115217319420 例：假设计算机CPU有效地址为16位，且页大小为1K。0 p d159d=452 10 0111000100 2500p=2 1.1.内存中的页称为内存中的页称为“实页实页”，把在外存中页称为，把在外存中页称为“虚页虚页”。页号页号页面页面号号驻留驻留位位访问访问位位修改修改位位外存外存地地址址1024204829000。21488644 5.4 淘汰算法与抖动淘汰算法与抖动

9、 1 1 最佳（最佳（OptimalOptimal）淘汰算法淘汰算法 通常把选择要换出页的算法称为淘汰算法。而一个好的通常把选择要换出页的算法称为淘汰算法。而一个好的淘汰算法，应使缺页率尽可能小。淘汰算法，应使缺页率尽可能小。0内内存存实实页页000000000011114422222222222222253344433333333缺页中断缺页中断 它可作为衡量其它算法优劣的一个标准。它可作为衡量其它算法优劣的一个标准。2.先进先出淘汰算法先进先出淘汰算法访页顺序访页顺序0 02 25 53 32 24 42 20 03 32 21 13 32 23 34 43 3内内存存实实页页0 00 0

10、0 03 33 33 33 30 00 00 00 00 02 22 22 22 22 22 22 22 24 44 44 43 32 23 33 33 33 34 44 45 55 55 55 52 22 22 23 31 11 11 11 11 13 3缺页中断缺页中断 FIFOFIFO算法容易实现，但是它所依据的理由与普遍的进程运行算法容易实现，但是它所依据的理由与普遍的进程运行规律不符。它只适用于规律不符。它只适用于CPUCPU按线性顺序访问地址空间的进程。按线性顺序访问地址空间的进程。BeladyBelady现象：在未给进程或作业分配足它所要求的页面数时，现象：在未给进程或作业分配足

11、它所要求的页面数时，有时会出现分配的页面数增多时，缺页的次数反而会增加的陷有时会出现分配的页面数增多时，缺页的次数反而会增加的陷阱现象。阱现象。3.最近最少使用（最近最少使用（LRU）淘汰算法）淘汰算法内内存存实实页页000333300011114422222222222222255544433333333缺页中断缺页中断（1）计数器法（2）栈（3）寄存器法 R实页实页R7R6R5R4R3R2R1R0101010010210101100300000100401101011511010110600000011 LRU LRU虽然是一种较好的淘汰算法，但是完全实现虽然是一种较好的淘汰算法，但是完全

12、实现LRULRU淘淘汰算法的代价比较大。汰算法的代价比较大。4 4LRULRU的近似算法的近似算法（1）最近未使用NUR算法。第1类：R0，M0，没有被访问过，没有被修改过，是最佳的淘汰页；第2类：R0，M1，没有被访问过，被修改过；第3类：R1，M0，被访问过，没有被修改过；第4类：R1，M1，被访问过，被修改过；(2）最不经常使用NFU（Not Frequently Used）算法。该算法是在需要淘汰某一页时，选择到当前时间为止，被访问次数最少的那一页。这只需在页表中给每一页增设一个访问计数器即可实现。每当该页被访问时，访问计数器加1，而发生缺页时，则淘汰计数器值最小的那一页，并将所有的计

13、数器清零。系统需要花费大量的时间忙于进行这种频繁的页面调换，系统需要花费大量的时间忙于进行这种频繁的页面调换，从而无法完成用户所要求的工作。这种现象称之为从而无法完成用户所要求的工作。这种现象称之为“抖动现象抖动现象”现象。现象。防止抖动现象方法：一种是选择好的淘汰算法，以减少缺页防止抖动现象方法：一种是选择好的淘汰算法，以减少缺页次数。一种是扩大次数。一种是扩大工作集工作集:是指进程在某个时间段里要访问的页是指进程在某个时间段里要访问的页的集合。如果能够预知进程在某段时间的工作集，并在此之前把的集合。如果能够预知进程在某段时间的工作集，并在此之前把该集合调入内存，至该段时间终了时，再将其在下

14、一时间段时不该集合调入内存，至该段时间终了时，再将其在下一时间段时不需要访问的哪些页换出内存，这样就会可以减少页的交换。需要访问的哪些页换出内存，这样就会可以减少页的交换。5.5 段式存储管理段式存储管理s s w w 232316 1516 150 0（1）段表：）段表：（2）内存空闲区表（或链）：）内存空闲区表（或链）：（3）请求表：）请求表：段、段表及段在内存空间占用情况 3.地址变换段段号号内存内存始始址址段段长长驻留驻留位位访问访问位位修改修改位位外存外存地地址址存取存取方方式式增补增补位位段表段表缺段中断处理缺段中断处理（1）段是面向用户的，页是面向系统的。（2）页的大小是固定的，

15、由系统决定；段的大小不固定，由用户决定。（3）从用户的角度看，分页系统的用户程序空间是一维连续的线性空间；段的地址空间是二维的，由段名和段内相对地址组成。（4）从管理的角度看，分页系统的二维地址是在地址变换过程中由系统的硬件机构实现的，对用户是透明的。分段系统的在地址变换过程中的二维地址是由用户提供的。因而，页内没有地址越界问题，而段内的相对地址则存在地址越界问题。（1）静态链接（2）动态链接 1优点优点（1）便于信息的共享和保护。）便于信息的共享和保护。（2）实现了内存的扩充。）实现了内存的扩充。（3）便于信息的变化处理。）便于信息的变化处理。（4）便于实现动态链接。）便于实现动态链接。2缺点缺点（1）增加了计算机成本。）增加了计算机成本。（2）存在碎片问题。）存在碎片问题。（3）段的长度受内存可用空间大小的限制。）段的长度受内存可用空间大小的限制。（4）与页式存储管理类似，淘汰算法选择不当，可能产）与页式存储管理类似，淘汰算法选择不当，可能产生抖动现象。生抖动现象。地址越界保护法 存取控制保护法 地址越界保护法地址越界保护法 存取控制保护法存取控制保护法 5.5段页式存储管理段页式存储管理