操作系统-存储管理
1. 存储管理功能
1.1 地址映射
定义：把程序中的虚拟地址/逻辑地址转换成内存真实的地址/物理地址的过程
地址映射的实现方式
这里提前声明：
- VA: 逻辑地址 Virtual Address
- BA: 装入地址 Base Address
- MA: 物理地址 Memory Address/Phisical Address
固定地址映射
静态地址映射
程序装入时由操作系统完成逻辑地址到物理地址的映射。
MA = BA + VA 即 物理地址 = 基地址 + 偏移地址
例：加入逻辑地址 VA = X, X存放内容即为（X）且（X）=1234。基地址为BA。则有
MA = BA + X
静态地址映射的特点
- 程序执行前确定
- 程序装入后不能移动，如果要移动必须放回原来的位置
- 程序占用连续的内存空间
动态地址映射
定义：在程序执行过程中将逻辑地址转换为物理地址。
例如： MOV AX, [500] ; 访问500单元时才执行地址转换
注意：如果程序有移动，BA可能会有改变，自动计算新的MA。如下图示：
特点
- 程序占用的内存空间可动态变化，要求及时更新BA
- 程序不要求占用连续的内存地址空间，每段放置基地址BA系统知道
- 以便于多个进程共享代码（共享代码作为独立的一段存放）
1.2 虚拟存储
虚拟存储是面向用户的虚拟封闭的存储空间。
解决问题：
- 程序过大时内存不够，无法运行
- 多个地址并发执行导致地址冲突，不能运行
1.2.1 虚拟内存管理的目标
- 使得大程序能在较小的内存中运行
- 使得多个程序能在较小的内存总运行
- 使得多个程序并发运行时地址不冲突
- 使得内存的利用效率高：无碎片化，共享方便
1.3 内存分配功能
为程序运行分配足够的内存空间
需要解决的问题：
- 放置策略
- 程序调入内存时将其放到哪个内存区
- 调入策略
- 何时将运行的代码和要访问的数据调入内存
- 淘汰策略
- 内存不够时，释放哪些代码或数据腾出内存空间
1.4 存储保护功能
保证在内存中的多道程序只能在给定的存储区域内活动且互不干扰。
- 防止访问越界
- 防止访问越权
1.4.1 实现方法：界址寄存器
- 在CPU中设置一对下限寄存器和上限寄存器，存放程序在内存中的上下限地址。
- 基址寄存器和限长寄存器
2. 物理内存管理
2.1 分区内存管理
- 单一分区存储管理
- 分区存储管理
- 固定分区
- 动态分区
2.1.1 单一分区存储管理（部分区存储管理）
定义：用户区不分区，完全被一个程序占用。如DOS
2.1.2 固定分区存储管理
分区存储管理是指把用户区内存划分为若干个大小不等的分区，供不同的程序使用。适合单用户单任务系统
固定分区定义：把内存固定地划分为若干个大小不等的分区。每个分区的大小和位置都固定，系统运行期间不再重新划分。
分区表
记录分区的位置，大小和使用标志。如下图示：
使用特点
- 在程序装入前，内存已经分区且不再改变。
- 每个分区大小不同适应不同代销的程序。
- 系统要维护分区表。
缺点
- 浪费内存：程序比所在分区小时会产生内存碎片
- 大程序可能无法运行：程序比最大分区还大
但是如果知道程序的大小、个数、装入顺序时，内存的使用效率很高。
2.1.3 动态分区
定义：在程序装入时创建分区，使分区的大小刚好和程序的大小相等。
图：
2.2 分区放置策略
2.2.1 分区的分配
首先要介绍一下啊分区表的概念。空闲区表是用来描述内存空闲区的位置和大小的数据结构。
分配过程（假定用户要求的空间大小为s）
- 从空闲区表的第1个区开始，寻找>= s的空间去
- 找到后从分区中分割出大小为s的部分给用户使用
- 分割后的剩余部分作为空间去仍然记录在空闲区表中
注意：分割空闲区时一般从底部分割。
2.2.2 空闲区如何排序-放置策略
- 按照空闲区位置递增/减排序
- 按照空闲区大小递增/减排序
2.2.3 分区回收
回收程序释放区，登录到空闲表中，以便再分配。
回收过程如下图所示，其中
- 白色区代表当前空闲区
- 红色区代表释放区
- 灰色区代表占用区
2.3 内存覆盖技术
内存分区
- 常驻区：被某段单独固定地占用，可划分多个
- 覆盖区：能被多段共用，可划分多个
覆盖的缺点
- 编程复杂：程序员需要划分模块并确定覆盖关系
- 程序执行时间长：从外存装入内存耗时
- 程序模块可能比覆盖区大小还大导致无法装入