存储管理

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  1. 存储管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统的重要资源——内存储器
  2. 内存空间一般分为两部分：
    1. 系统区：存放操作系统内核程序和数据结构等。
    2. 用户区：存放应用程序和数据。
  3. 存储管理包括以下功能：
    1. 存储分配：位进程分配内存空间以便运行，完成内存区的分配和去配工作。
    2. 地址映射：内存被抽象为一维或二维地址空间；逻辑空间到物理空间映射。
    3. 存储保护：系统隔离分配给进程的内存区，防止地址越界或操作越权。
    4. 存储共享：系统允许多个进程共享内存区。
    5. 存储扩充：形成虚拟存储器。

存储管理的基础

逻辑地址

  1. 逻辑地址：又称相对地址，即用户编程所使用的地址空间
  2. 逻辑地址从零开始编号，有两种形式：
    1. 一维逻辑地址（地址）
    2. 二维逻辑地址（段号：段内地址）

段式程序设计

  1. 把一个程序设计成多个段：代码段、数据段、堆栈段等等
  2. 用户可以自己应用段覆盖技术扩充内存空间使用量，这一技术是程序设计技术，不是 OS 存储管理的功能：只是用一些段构成一个比较小的程序，然后动态来调整。
  3. 结合虚存完成内存部分的扩充

物理地址

从物理地址看到的物理内存单元

  1. 物理地址：又称绝对地址，即程序执行所使用的地址空间
  2. 处理器执行指令时按照物理地址进行

主存储器的复用

  1. 多道程序设计需要复用主存
  2. 按照分区复用：
    1. 主存划分为多个固定/可变尺寸的分区
    2. 一个程序/程序段占用一个分区
  3. 按照页架复用：
    1. 主存划分成多个固定大小的页架
    2. 一个程序/程序段占用多个页架

存储管理的基本模式

  1. 单连续存储管理：一维逻辑地址空间的程序占用一个主存固定分区或可变分区
  2. 段式存储管理：段式二维逻辑地址空间的程序占用多个主存可变分区
  3. 页式存储管理：一维逻辑地址空间的程序占用多个主存页架区
  4. 段页式存储管理：段式二维逻辑地址空间的程序占用多个主存页架区
  5. 注意是否可以虚拟化

存储管理模式示意图

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  1. 应用级程序员直接面对的是逻辑地址，而最后运行需要使用的是物理地址（从处理器角度看到的物理内存单元）
  2. 一般目前常用的是动态重定位，将逻辑地址转换为对应的物理地址。
  3. 分页：形成页框加载程序，页框和页框之间可以是不连续的。
  4. 分段：每一个段有相应分区，使用段表完成逻辑段向物理段的映射
  5. 段页式：在分段基础上，还实现了页框部分。

存储管理的功能

地址转换

地址转换：又称重定位，即把逻辑地址转换成绝对地址。

  1. 静态重定位：在程序装入内存时进行地址转换，将逻辑地址转换为物理地址，再装入内存；由装入程序执行，早期小型 OS 使用，基于地址固定值进行偏移。
  2. 动态重定位（主流）：在 CPU 执行程序时进行地址转换，将逻辑地址转换为物理地址；从效率出发，依赖硬件地址转换机构，运行时正确的将其逻辑地址转换为物理地址。

解释执行指令的时候才进行地址的转换，必须要借助硬件电路完成，而不能用软件完成（效率考量）

主存储器空间的分配与去配

  1. 分配：进程装入主存时，存储管理软件进行具体的主存分配操作，并设置一个表格记录主存空间的分配情况
  2. 去配：当某个进程撤离或主动归还主存资源时，存储管理软件要收回它所占用的全部或者部分存储空间，调整主存分配表信息

主存储器空间的共享

  1. 多个进程共享主存储器资源：多道程序设计技术使若干个程序同时进入主存储器，各自占用一定数量的存储空间，共同使用一个主存储器
  2. 多个进程共享主存储器的某些区域：若干个协作进程有共同的主存程序块或者主存数据块

存储保护

为避主存汇总的多个进程相互干扰，必须对主存中的程序和数据进行保护：

  1. 私有主存区中的信息：可读可写
  2. 公共区中的基本信息：根据授权
  3. 非本进程信息：不可读写

这一功能需要软硬件协同完成：CPU 检查是否允许访问，不允许则产生地址保护异常，由 OS 进行相应处理：

  1. 地址越界保护依赖于硬件设施、常用的有界地址和存储键。
  2. 进程在访问分配给自己的内存区时，要对访问权限进行检查。

主存储器空间的扩充

存储扩充：把磁盘作为主存扩充，只把部分进程或进程的部分内容装入内存：扩大多道程序设计的道数

  1. 对换技术：把部分不运行的进程调出
  2. 虚拟技术：只调入进程的部分内容，对单一进程不使用对换技术完成，特点是自动化、透明。

这一工作需要硬件协助完成

  1. 对换进程决定对换，硬件结构完成调入
  2. CPU 处理到不在主存的地址，发出虚拟地址异常，OS 将其调入，重执指令

进程的内存为 4MB，一个页框 4KB，有 1024 个页框，页框表一共 16 个页框，页的压缩比是$\frac{1024}{16} = 64$。

虚拟存储器的概念

之前所介绍的存储管理，我们称为实存管理，必须为进程分配足够内存空间，装入其全部信息，否则无法运行。

虚拟存储器思想的提出

主存容量限制带来诸多不便：

  1. 用户编写程序必须考虑主存容量限制
  2. 多道程序设计的道数受到限制

用户编程行为分析：

  1. 全面考虑各种情况，执行时有互斥性
  2. 顺序性和循环性等空间局部性行为
  3. 某一阶段执行的时间局部性行为