存储器管理

存储器管理实验实验报告一、实验目的存储器管理是操作系统的重要组成部分，本次实验的目的在于深入理解存储器管理的基本原理和方法，通过实际操作和观察，掌握存储器分配与回收的算法，以及页面置换算法的实现和性能评估。

二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，编程语言为 C+＋，开发工具为 Visual Studio 2019。

三、实验内容与步骤（一）存储器分配与回收算法实现1、首次适应算法（1）原理：从空闲分区链的首地址开始查找，找到第一个满足需求的空闲分区进行分配。

（2）实现步骤：建立空闲分区链表，每个节点包含分区的起始地址、大小和状态（已分配或空闲）。

当有分配请求时，从链表头部开始遍历，找到第一个大小满足需求的空闲分区。

将该分区进行分割，一部分分配给请求，剩余部分仍作为空闲分区留在链表中。

若找不到满足需求的空闲分区，则返回分配失败。

2、最佳适应算法（1）原理：从空闲分区链中选择与需求大小最接近的空闲分区进行分配。

（2）实现步骤：建立空闲分区链表，每个节点包含分区的起始地址、大小和状态。

当有分配请求时，遍历整个链表，计算每个空闲分区与需求大小的差值。

选择差值最小的空闲分区进行分配，若有多个差值相同且最小的分区，选择其中起始地址最小的分区。

对选中的分区进行分割和处理，与首次适应算法类似。

3、最坏适应算法（1）原理：选择空闲分区链中最大的空闲分区进行分配。

（2）实现步骤：建立空闲分区链表，每个节点包含分区的起始地址、大小和状态。

当有分配请求时，遍历链表，找到最大的空闲分区。

对该分区进行分配和处理。

（二）页面置换算法实现1、先进先出（FIFO）页面置换算法（1）原理：选择在内存中驻留时间最久的页面进行置换。

（2）实现步骤：建立页面访问序列。

为每个页面设置一个进入内存的时间戳。

当发生缺页中断时，选择时间戳最早的页面进行置换。

2、最近最久未使用（LRU）页面置换算法（1）原理：选择最近一段时间内最长时间未被访问的页面进行置换。

存储器管理的课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握存储器管理的基本原理和操作方法，能够运用存储器管理的知识和技能解决实际问题。

具体来说，知识目标包括掌握存储器的基本概念、分类和特点，理解存储器管理的基本原理和方法，了解存储器管理技术的发展趋势。

技能目标包括能够运用存储器管理的知识和技能进行存储器的分配和回收，能够进行存储器性能的评估和优化。

情感态度价值观目标包括培养学生的创新意识和团队合作精神，提高学生的问题解决能力和实践能力。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括存储器的基本概念、分类和特点，存储器管理的基本原理和方法，存储器管理技术的发展趋势。

具体来说，第一部分将介绍存储器的基本概念，包括存储器的定义、功能和分类，以及存储器的主要特点。

第二部分将讲解存储器管理的基本原理，包括存储器的分配和回收策略，存储器的扩充和压缩技术，以及存储器的共享和保护机制。

第三部分将介绍存储器管理技术的发展趋势，包括非易失性存储器技术、存储器层次结构和存储器网络技术。

三、教学方法为了实现本课程的教学目标，我们将采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法和实验法。

首先，通过讲授法，我们将向学生系统地传授存储器管理的基本知识和理论。

其次，通过讨论法，我们将引导学生进行思考和交流，培养学生的创新意识和团队合作精神。

然后，通过案例分析法，我们将提供实际案例，让学生运用存储器管理的知识和技能解决实际问题。

最后，通过实验法，我们将让学生亲自动手进行存储器管理的实验操作，提高学生的实践能力和问题解决能力。

四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法的实施，我们将准备多种教学资源，包括教材、参考书、多媒体资料和实验设备。

首先，我们将选择合适的教材和参考书，为学生提供全面和深入的存储器管理知识。

其次，我们将收集和整理多媒体资料，如图片、视频和动画，以丰富学生的学习体验。

然后，我们将准备实验设备，让学生能够进行存储器管理的实验操作，提高学生的实践能力。

第四章存储器管理第0节存储管理概述一、存储器的层次结构1、在现代计算机系统中，存储器是信息处理的来源与归宿，占据重要位置。

但是，在现有技术条件下，任何一种存储装置，都无法从速度、容量、是否需要电源维持等多方面，同时满足用户的需求。

实际上它们组成了一个速度由快到慢，容量由小到大的存储装置层次。

2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：少量的、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：若干(千)兆字节、中等速度、中等价格、需要电源维持、CPU可直接访问；•磁盘高速缓存：存在于主存中；•磁盘：数千兆或数万兆字节、低速、价廉、不需要电源维持、CPU 不可直接访问；由操作系统协调这些存储器的使用。

二、存储管理的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在成本、速度和规模之间获得较好的权衡。

(注意cpu和主存储器，这两类资源管理的区别)2、存储管理的主要功能：•地址重定位•主存空间的分配与回收•主存空间的保护和共享•主存空间的扩充三、逻辑地址与物理地址1、逻辑地址(相对地址，虚地址)：用户源程序经过编译/汇编、链接后，程序内每条指令、每个数据等信息，都会生成自己的地址。

●一个用户程序的所有逻辑地址组成这个程序的逻辑地址空间(也称地址空间)。

这个空间是以0为基址、线性或多维编址的。

2、物理地址(绝对地址，实地址)：是一个实际内存单元(字节)的地址。

●计算机内所有内存单元的物理地址组成系统的物理地址空间，它是从0开始的、是一维的；●将用户程序被装进内存，一个程序所占有的所有内存单元的物理地址组成该程序的物理地址空间(也称存储空间)。

四、地址映射(变换、重定位)当程序被装进内存时，通常每个信息的逻辑地址和它的物理地址是不一致的，需要把逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；地址映射分静态和动态两种方式。

1、静态地址重定位是程序装入时集中一次进行的地址变换计算。

物理地址= 重定位的首地址+ 逻辑地址•优点：简单，不需要硬件支持；•缺点：一个作业必须占据连续的存储空间；装入内存的作业一般不再移动；不能实现虚拟存储。

计算机操作系统实验三存储器管理引言存储器管理是计算机操作系统中非常重要的一部分。

它负责管理计算机中的存储器资源，以便有效地分配和管理内存。

在操作系统的设计和实现中，存储器管理的性能和效率对整个系统的稳定性和性能有着重要的影响。

本文档将介绍计算机操作系统实验三中的存储器管理的实验内容及相关的知识点。

我们将从内存分区管理、页式存储管理和段式存储管理三个方面进行讨论。

内存分区管理内存分区管理是一种常见的存储器管理方法，旨在将物理内存分成若干个不同大小的区域，以便为不同的进程分配内存。

在实验三中，我们将学习和实现两种内存分区管理算法：首次适应算法和最佳适应算法。

首次适应算法是一种简单直观的算法，它从内存的起始位置开始查找第一个满足要求的空闲分区。

而最佳适应算法则是通过遍历整个内存空间，选择最合适的空闲分区来满足进程的内存需求。

通过实验，我们将学习如何实现这两种算法，并通过比较它们的性能和效果来深入理解内存分区管理的原理和实现。

页式存储管理页式存储管理是一种将物理内存分成固定大小的页框（page frame）和逻辑地址分成固定大小的页面（page）的管理方法。

在操作系统中，虚拟内存通过将进程的地址空间划分成大小相等的页面，并与物理内存中的页框相对应，实现了大容量的存储管理和地址空间共享。

在实验三中，我们将学习和实现页式存储管理的基本原理和算法。

我们将了解页表的结构和作用，以及如何通过页表将逻辑地址转换为物理地址。

此外，我们还将学习页面置换算法，用于处理内存不足时的页面置换问题。

段式存储管理段式存储管理是一种将逻辑地址分成不同大小的段并与物理内存中的段相对应的管理方法。

在操作系统的设计中，段式存储管理可以提供更灵活的地址空间管理和内存分配。

实验三将介绍段式存储管理的基本原理和实现方法。

我们将学习段表的结构和作用，以及如何通过段表将逻辑地址转换为物理地址。

同时，我们还将探讨段的分配和释放过程，并学习如何处理外部碎片的问题。

考点一内存管理概念一、单项选择题在下面关于存储功能的论述中正确的是（）A.即使在多道程序管理下用户也可以编制用物理地址直接访问内存的程序。

B.内存分配的基本任务是为每道程序分配内存空间，其追求的目的则是提高内存的利用率。

C.为提高内存保护的灵活性，内存保护通常由软件完成。

D.地址映射是指将程序物理地址转变为内存的逻辑地址二、综合应用题1.请列举出逻辑地址和物理地址的两个不同之处。

2.一个进程被换出内存，它就失去了使用CPU的机会。

除了换出内存这种情形，请列举出其它一种情形，进程虽然失去了使用CPU的机会，但它并没有被换出内存。

3.存储管理的主要研究内容是什么？4.什么是动态链接？用何种内存分配方法可以实现这种链接技术？5.某系统把任一程序都分成代码和数据两部分。

CPU知道什么时候要指令（如取指令周期），什么时候要数据（如取数据周期或存数据周期）。

所以，需要两种寄存器（基地址寄存器、界限寄存器），一组用于指令，一组用于数据。

用于指令的是只读的，以便于用户的共享。

请分析这种策略的优缺点。

6.什么是地址的重定位？有哪几种常用的地址重定位的方法？7.在现代计算机系统中，存储器是十分重要的资源，能否合理有效的使用存储器，在很大程度上反映了操作系统的性能，并直接影响到计算机系统作用的发挥。

请问：（1）主存利用率不高主要体现为哪几种形式？（2）可以通过哪些途径来提高主存利用率8.内存保护是否可以完全由软件来实现？为什么？考点二交换与覆盖一、单项选择题1.存储管理方案中，（）可采用覆盖技术。

A.单一连续存储管理B.可变分区存储管理C.段式存储管理D.段页式存储管理2.在存储系统管理中，采用覆盖技术与交换技术的目的是( )。

A.节省主存空间B.物理上扩充主存容量C.提高CPU利用率D.实现主存共存二、综合应用题1.在存储管理中，覆盖和对换技术所以解决的是什么问题？各有什么特点？2请写出你对交换过程和覆盖过程的认识，它们的主要区别有哪些？考点三连续分配管理方式一、单项选择题1.在可变式分区分配方案中，某一作业完成后，系统收回其主存空间并与相邻空闲区合并，为此需要修改空闲区表，造成空闲区域减1的情况是（）。

实验四存储器管理1、目的与要求本实验的目的是让学生熟悉存储器管理的方法,加深对所学各种存储器管理方案的了解；要求采用一些常用的存储器分配算法,设计一个存储器管理模拟系统,模拟内存空间的分配和释放。

2、实验内容①设计一个存放空闲块的自由链和一个内存作业分配表，存放内存中已经存在的作业。

②编制一个按照首次适应法分配内存的算法，进行内存分配。

③同时设计内存的回收以及内存清理(如果要分配的作业块大于任何一个空闲块，但小于总的空闲分区，则需要进行内存的清理,空出大块的空闲分区）的算法。

3．实验环境①PC兼容机②Windows、DOS系统、Turbo c 2。

0③C语言4．实验提示一、数据结构1、自由链内存空区采用自由链结构，链首由指针freep指向,链中各空区按地址递增次序排列.初启动时整个用户内存区为一个大空区,每个空区首部设置一个区头(freearea）结构,区头信息包括：Size 空区大小Next 前向指针，指向下一个空区Back 反向指针,指向上一个空区Adderss 本空区首地址2、内存分配表JOBMA T系统设置一个MA T，每个运行的作业都在MAT中占有一个表目，回收分区时清除相应表目，表目信息包括：Name 用户作业名Length 作业区大小Addr 作业区首地址二、算法存储分配算法采用首次适应法,根据指针freep查找自由链,当找到第一块可满足分配请求的空区便分配,当某空区被分配后的剩余空闲空间大于所规定的碎片最小量mini时,则形成一个较小的空区留在自由链中。

回收时,根据MAT将制定分区链入自由链,若该分区有前邻或后邻分区，则将他们拼成一个较大的空区。

当某个分配请求不能被满足,但此时系统中所有碎片总容量满足分配请求的容量时，系统立即进行内存搬家，消除碎片.即将各作业占用区集中下移到用户内存区的下部（高地址部分)，形成一片连续的作业区,而在用户内存区的上部形成一块较大的空闲，然后再进行分配。

CH3 存储器管理存储器是计算机信息的载体, 一般分为外存(辅存)和内存两类, 由于外存主要用来存放文件, 所以放在文件管理一章讲述. 因而本章主要对象是内存.如：RAM, ROM, SRAM, DRAM, SDRAM, DDR, WRAM, FRAM, CACHE(超高速缓冲存储器)...内存是仅次于CPU的重要资源, 对系统性能的影响极大. 存储器管理的内容有:A> 介绍各种存储分配和管理策略;B> 虚拟存储器的概念和技术存储器管理的目标是: 提高内存利用率, 改善系统性能.为简单见，把教材相关章节合并，补充虚拟存储技术。

§1. 引言#1 存储管理的目的和功能#2 存储分配#3 重定位#4 存储管理的方式§2. 分区式管理#1 单一连续区分配#2 固定分区分配#3 可变分区分配#4 可重定位分区分配#5 多重分区分配#6 分区的保护§3. 分页式管理#1 纯分页系统#2 请求式分页系统#3 分页系统的优缺点#4 虚拟存储器技术§4. 分段式管理#1 分段地址空间#2 纯分段管理#3 请求式分段管理#4 分段动态链接#5 分段的共享#6 分段管理的优缺点§7. 段页式管理#1 实现原理#2 管理算法#3 段页式管理的优缺点关于虚拟存储器的内容, 分插入各节叙述, 如: §1中的概念; §5的请求式分页也称为单段式虚拟存储器; §6的分段存储也称为多段式虚拟存储器; 而§7的段页式存储也属虚拟存储器管理.§1. 概述一: 存储器管理的目的和功能1. 内存的分配, 管理和回收: 包括:用户申请内存时是否响应? 如何分配?(分配多少, 分配哪部分) 能否多次分配? 要记录哪些分配信息? 用完了是否回收等等. 其中分配策略是本章的重点.2. 提高内存利用率:#1 使多道程序共享内存. (互不干扰, 各占一段)#2 使多道程序共享某一段内存. (代码/数据的共用)3. 内存扩充这里的扩充不是指硬扩充, 而是指借助覆盖, 交换和虚拟等软件技术来向用户提供比实际内存还要大的存储空间.4. 内存保护#1 各作业使用各自内存区域, 互不干扰.#2 防止一作业的故意/无意破坏, 保护其他作业的运行.在286以上CPU都有硬件保护机制(地址保护), 各OS和应用软件都可使用这些机制来保护.二: 存储分配所谓存储分配, 主要讲述的是多道作业之间划分内存空间的问题, 由于内存资源的有限, 存储分配要解决如何把多个作业放入内存, 是全部还是部分, 以及放入的时间, 地点, 而这些问题的解决对用户必须是透明的(即用户不用考虑这些问题). 常见的有三种方式:1. 直接指定方式#1 编程或编译后直接使用实际的存储地址, 目前常用于工业实时控制.#2 直接控制方式有: 早期的独占; 多道作业的分区和覆盖三种.其中覆盖是指把一个作业切分为几部分, 每次调用一段运行于同一内存区域.#3 显然, 为了直接指定存储地址, 必须知道内存的容量和编址规则, 对用户的要求比较高, 尤其是对稍大点软件. 因此目前几乎无人使用.2.静态分配(Static Allocation)#1 编程/编译后的地址空间从零开始, 仅当装入内存时才由装配程序缺点其运行空间, 即存储分配在装入前完成.#2 在运行时, 不再进行存储分配, 也不能在内存中移动.3. 动态分配(Dynamic Allocation)#1 存储分配在装入时完成#2 在运行时可进行再分配, 如增加, 减少, 移动等.以上三种方式, 其每次进行分配的内存必须是连续的.三: 重定位(Relocation)1. 地址空间和存储空间#1 用高级语言编制的程序, 其使用的是名字空间. 如: int x=0;#2 经编译链接后的目标程序, 其使用的是一所限定的地址编号范围, 称为地址空间, 每个地址编号称逻辑地址. 通常该地址编号的下限为零, 然后按字节/字递增, 所以这些地址都是相对于起始地址的, 因而也称为相对地址.#3 内存中物理的记录单元集合称为存储空间, 其单元编号称为物理地址/绝对地址.总之, 存储空间是"实"的, 地址空间是"虚"的, 而名字空间是地址空间的逻辑代号, 更"虚".2. 重定位#1 把作业地址空间中的逻辑地址变换成存储空间中的物理地址的地址变换过程称地址重定位, 或地址映射.0 ......100 xxxx.......0 ...... 1000 ......10 Load AX, 100 1010 Load AX, 1100...... ......100 xxxx 1100 xxxx...... ...... 物理空间地址空间......( 图4-1 )#2 如图, 某作业装入物理空间后, 取地址[100]的值要变换成现在的[1100], 而不能再取现在的[100].3. 重定位的类型#1 静态重定位: 通过重定位装配程序在作业装入时就完成的地址变换过程.如: 上例Load AX, 100 变成Load AX, 1100.优点: 由于地址变换在作业执行前一次集中完成, 无需硬件机构参与, 简单.缺点: A> 作业运行期不能移动, 内存利用率不高.B> 用户必须事先知道所需内存是否超过存储空间, 若超过, 则需用户考虑覆盖.C> 作业间不能共享内存中的同一程序/数据区.#2 动态重定位: 作业执行时, 当访问指令和数据时, 由硬件地址变换机制实现地址变换的方式. 算法是: 实际地址=有效地址+重定位寄存器值[RR]如: 上例Load AX, 100不变, 但重定位寄存器值=1000.优点: A> 由于指令/数据的实际地址在运行时确定, 所以在运行时再进行存储分配是允许的. ----可进行动态存储分配B> 作业间可共享内存中的某一公用段.C> 可向用户提供比物理存储空间大很多的地址空间.缺点: A> 需硬件机构参与B> 事先分配策略的软件比较复杂.四：存储管理的方式1．常见的有分区式（静态/动态），分页式（纯/请求式），分段式（纯/请求式），段页式几种。