【思维导图】第四章 存储器管理-

内存
• 由存储单元（字节或字）组成的一维连续的地 址空间，简称内存空间。用来存放当前正在运 行程序的代码及数据，是程序中指令本身地址 所指的、亦即程序计数器所指的存储器
分为： • 系统区：用于存放操作系统 • 用户区：用于装入并存放用户程序和数据
第四章 存 储 器 管 理
存储管理的功能
=存储分配和回收：分配和回收算法及相应的数据结构。 =地址变换： v可执行文件生成中的链接技术 v程序加载(装入)时的重定位技术 v进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构 =存储共享和保护： v代码和数据共享 v地址空间访问权限（读、写、执行） =存储器扩充：存储器的逻辑组织和物理组织； v由应用程序控制：覆盖； v由OS控制：交换（整个进程空间），虚拟存储的请求调
0 M－ 1
模块 B CALL C； Retu rn；
0 模块 C
L 模块 B
JSR “ L＋ M” L＋ M－ 1 Retu rn；
L＋ M 模块 C
N－ 1 Retu rn；
L＋ M＋ N－ 1 Retu rn；
(a) 目标模块 图 4-3 程序链接示意图 (b) 装入模块
第四章 存 储 器 管 理
第四章 存 储 器 管 理
4.2 连续分配方式
4.2.1 单一连续分配
内存分为两个区域：系统区，用户区。 应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。 最简 单，适用于单用户、单任务的OS。 优点：易于管理。 缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全 部装入，很少使用的程序部分也占用内存。
第四章 存 储 器 管 理
3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立 即由OS去找到该模块并将之装入内存， 把它链接到调用者 模块上。凡在执行过程中未被用到的目标模块，都不会被 调入内存和被链接到装入模块上，这样不仅可加快程序的 装入过程，而且可节省大量的内存空间。

的区，其大小跟页面大小相等； ③ 逻辑地址形式：页号＋页内位移 ④ 页表和地址转换（后面图）
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基本原理(2)
作业的页面与分给的页框如何建立联系呢？ 逻辑地址(页面)如何变换成物理地址(页框)
呢？ 作业的物理地址空间由连续变成分散后，如
何保证程序正确执行呢？ ➢使用动态重定位技术，给每个页面设立重定
伙伴原理 • 伙伴系统是一种固定分区和可变分区折中的主存管理算
法，基本原理：任何尺寸为2i的空闲块可以被分为两个尺 寸为2i-1的空闲块，这两个空闲块称为伙伴。 • 伙伴通过对大块的物理主存划分而获得 假如从第0个页面开始到第3个页面结束的主存
0123
0123
每次都对半划分，那么第一次划分获得大小为2页的伙 伴，如0、1和2、3
找时间比较长。
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4）最坏适应分配算法 ➢ 分配能满足要求的最大区； ➢ 可以将空闲区按照大小从大到小排列，查找第一
个满足要求的。 ➢ 效率大致等同于最先适应法。 5) 快速适应分配算法 ➢ 为经常用到的长度的空闲区设置单独的链表。 ➢ 优点：查找快速； ➢ 缺点：归还时与相邻空闲区的合并即复杂又费时
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可变分区方式主存分配示例
操作系统 4KB 作业1 10KB
空闲区
46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3
40KB 空闲区 46KB 作业2 52KB 空闲区 128KB
操作系统 4KB 作业1 10KB 作业3 40KB
空闲区
128KB
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可变分区存储管理数据结构
存储保护
• 问题：保护操作系统不受用户进程所影响，保护用户进程 不受其他用户进程所影响
• 方法 1) 存储键保护

L＋M－1 Return；
L＋M
模块 C
L＋M＋N－1 Return；
内存
Operating System
2019/10/24
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程序的链接
运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking) 应用程序在每次运行的模块可能不相同
运行时动态链接方式将对某些模块的链接 推迟到执行时才进行，即在执行过程中， 当发现一个被调用模块尚未装入内存时， 立即由OS去找到该模块并将之装入内存， 把它链接到调用者模块上
12500
365
5000 作业 地 址空
15000
间
缺点：不断的分配和回收，造成内存中小空闲块很多，总
空闲空间量够，但分配不了
内 存空 间
办法：紧凑（移作动）业，装但入该内装存入时方法的不情支况持
Operating System
2019/10/24
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程序的装入
0
1000 LOAD 1,2500
绝对地址的产生
程序员直接赋予。不仅要求程序员熟悉内存 使用情况，而且一旦程序或数据被修改后， 可能要改变程序中的所有地址。通常在程序 中采用符号地址，在编译或汇编时，再将符 号地址转换为绝对地址。
编译或汇编时产生
Operating System
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程序的装入
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程序的装入和链接
程序的装入 程序的链接
Operating System
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程序的装入
多道程序环境下，程序要运行必须为之创建进程， 而创建进程的第一件事就是分配内存

第四章 存 储 器 管 理
内存管理概述
计算机的存储体系回顾
第四章 存 储 器 管 理
CPU寄 存 器 主存
辅存
寄存器 高速缓存
主存 磁盘缓存
磁盘 可移动存储介质
图4-1 计算机系统存储层次示意
第四章 存 储 器 管 理
内存管理的目的
内存管理概述
操作系统的“方便”性
便于用户装入程序，无须了解底层细节 可实现动态的存储空间伸缩，适应不同程序的需要
1. 绝对装入方式
按模块中的地址，将程序和数据装入到内存对应 位置。程序中所使用的绝对地址，既可在编译或 汇编时给出， 也可由程序员直接赋予。
第四章 存 储 器 管 理
1、Absolute Loading Mode(ALM)
Jump k
k
Load m
m
1024 汇编/编译 1424
Jump 1424 Load 2224
内存空间的管理、分配和回收
内存空间的使用情况记录——位图、分配表、分区表 内存空间的分配与回收——定长与不定长、静态与动态
内存空间的地址映射（转换）
物理地址与逻辑地址的差别
内存空间的共享和保护
内存共享：进程与线程、中间件应用 内存保护：如何防止地址越界或操作越权？
内存空间的扩充
虚拟存储：如何使用小内存空间来运行大的程序？
第四章 存 储 器 管 理
1、静态链接
0 模块A Call B
L-1 Return
0 模块B Call C
动态重定位：在程序执行时，每当访问 指令和数据时，将要访问的指令和数据 的相对地址转换成绝对地址。
Jump k
k
Load m
m

查找.
A 18, B 10
17
20
9
323
35 19019 136
22366
310
8/17/2019
辽东学院信息技术学院
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最佳适应法
• 要求按空闲区大小从小到大的次 序组成空闲区表（链）。
• 每次把能满足作业要求，并且是 最小的空闲分区分配给作业
15
136
91
8/17/2019
20
30
42
226
（3）
作业 30K
回 收 内 存 的 四 种 情 （4） 况
作业
作业A
20K
30
100
8/17/2019
54050
首址450
大小50K
回
收
作
720
业
A 辽东学院信息技术学院
30K 作业A 作业
20K 作业
大小50K
380
100
20
500
作业 30K
作业A 20K 作业
13000 100
180
大小50K
辽东学院信息技术学院
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4.3.1 单一连续分配
•最简单的一种存储分配管理方法 •只能用于单用户、单任务的操作系统 中 •把内存分为两部分
•系统区：提供给OS使用，内存的低 址部分 8/17/2019 •用户区：提供给用户辽东使学院用信。息技术学院
内存 系统区 0 （OS）
100k
进用程户区AB
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1. 分区分配中的数据结构
(1) 空闲分区表。 分区号 大小(K) 始址(K)
2
42
35
4
20
91
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第4章 存储管理
1．空闲分区的组织形式
空闲分区链表的组织是这样的：在每个空闲分区 的起始部分开辟出一个单元，存放一个链表指针 和该分区的大小，链表指针指向下一个空闲分区。 系统中用一个固定单元作为空闲分区链表的链表 头指针，指向第一块空闲分区首地址，最后一块 空闲分区的链表指针存放链尾标志。如图4.7（a） 所示 。
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第4章 存储管理 图4.4 界限寄存器的两种存储保护方式
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第4章 存储管理
4.1.4 虚拟存储器
对内存进行逻辑上的扩充，现在普遍采用虚拟存储管理 技术。 虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量 的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚 拟的存储器。此时，外存是作为内存的直接延伸，用户 并不会感觉到内、外存的区别，即把两级存储器当作一 级存储器来看待。一个作业运行时，其全部信息装入虚 存，实际上可能只有当前运行的必需一部分信息存入内 存，其他则存于外存，当所访问的信息不在内存时，系 统自动将其从外存调入内存。
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第4章 存储管理
4.2 实存管理
4.2.1 固定分区存储管理 4.2.2 可变式分区存储管理
4.2.3 纯分页存储管理 4.2.4 纯分段存储管理
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第4章 存储管理
4.2.1 固定分区存储管理
固定分区存储管理是实现多道程序设计的最简单 的一种存储管理技术。其基本思想是，在作业未 进入内存之前，就由操作员或操作系统把内存可 用空间划分成若干个固定大小的存储区，除操作 系统占用一个区域外，其余区域为系统中多个用 户共享，因为在系统运行期间，分区大小、数目 都不变，所以固定式分区也称为静态分区。
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第4章 存储管理

储区域内操作，互不干扰。 (4) 提供虚拟存储技术 使用户程序的大小和结构不受主存容量
和结构的限制，即使在用户程序比实际主存 容量还要大的情况下，程序也能正确运行．
4.1.2存储管理的功能
4.1.2.1 地址映射 一、什么是地址映射 地址映射 将程序地址空间中使用的逻辑地
址变换成主存中的物理地址的过程 称为地址映射。有时也称为地址重 定位 。
L－ 1
模块 A
JSR“ L” Retu rn；
0 模块 B
L 模块 B
CALL C；
JSR “ L＋ M”
M－ 1 Retu rn；
L＋ M－ 1 Retu rn；
0 模块 C
L＋ M 模块 C
N－ 1 Retu rn；
L＋ M＋ N－ 1 Retu rn；
(a) 目标模块 图 4-3 程序链接示意图 (b) 装入模块
4.2 内存分配
1、首次适应算法

首次适应算法的表是按空闲区首址升
序的（即空闲区表是按空闲区首址从小到
大）方法组织的。
4.2 内存分配
4.2 内存分配
分配时从表首开始，以请求内存区的 大小逐个与空闲区进行比较，找到第 一个满足要求的空闲后，若空闲区大 小与请求区的大小相等，则将该空闲 区分配给请求者，并撤消该空闲区所 在表目；若大于请求区，就将该空闲 区的一部分分配给请求者，然后，修 改空闲区的大小和首址。
第四章 存储器管理
4.1程序的装入与链接
4.1.1基本概念
存储器分成两类：
内存储器（简称内存、主 外存储器（简称外存、辅
存、物理存储器）
助存储器）
处理机能直接访问的存储 处理机不能直接访问的存

➢ 不支持多道程序
➢ 内存利用率不高
➢ 受内存容量限制
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4.2.2 连续分区存储管理
➢ 将内存划分成若干个连续区域，称为分区 ➢ 每个分区只能存储一个程序，而且程序也只
能在它所驻留的分区中运行(连续性)
➢ 是实现多道程序的最简单的存储管理方案 ➢ 根据划定的分区是否可变，分为固定分区和
可变分区管理
编译/链接
地址映射
data1 3456
200
3456
1200
3456
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三种装入方式
➢ 绝对装入
✓ 编译时给出绝对地址
✓ 相对地址与绝对地址相同，无须地址转换
✓ 适用于单道程序环境
➢ 静态重定位装入
✓ 相对地址与绝对地址不同
✓ 装入时一次性给出绝对地址
➢ 动态重定位装入
✓ 相对地址与绝对地址不同
✓ 地址的转换推迟到指令运行时才进行
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1. 固定分区 ➢ 基本思想
✓ 由OS在初启时，将内存空间划分为若干连 续区域，一个区域称为一个分区
✓ 每个分区的大小固定不变，每个分区装一 个且只能装一个进程
✓ 每个分区大小可以相同也可以不同
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➢ 数据结构 ✓ 分区说明表：分区号、起始地址、大小、状态 ✓ 分区请求表：进程号、内存大小
分区号 始址(K) 大小(K) 状态
要位置
➢ 任何一种存储装置，都无法同时从速度与
容量两方面，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结构
5
存储器层次
存取时间减少
高速缓存
存取速度增加 存取成本增加
内存
存储容量减少