操作系统内存管理.doc

操作系统中的内存管理与文件系统原理操作系统是计算机系统中的关键组成部分，它负责管理计算机的资源，并提供给应用程序一个方便的运行环境。

其中，内存管理和文件系统原理是操作系统中的重要内容之一。

本文将就这两个方面进行探讨。

一、内存管理内存管理是操作系统中的核心任务之一，主要包括内存的分配、回收和保护。

下面将深入探讨内存管理的原理与实现。

1. 内存分配在操作系统中，内存分配主要分为静态分配和动态分配两种方式。

静态分配是指在程序加载时就确定了内存的分配情况，而动态分配则是动态地根据程序的运行需要进行内存的分配。

静态分配的优点是简单高效，但缺点是浪费内存资源。

动态分配虽然能够更高效地利用内存，但需要考虑内存碎片等问题。

常见的动态分配算法有首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法等。

2. 内存回收内存回收是指在进程结束或释放内存时，将已经使用的内存空间释放给系统的过程。

在操作系统中，常见的内存回收机制有引用计数和垃圾回收等。

引用计数是一种简单且常用的内存回收机制，通过跟踪对象的引用数量来进行内存的回收。

当引用数量减为0时，表示该对象不再被使用，可以将其回收。

垃圾回收则是一种更复杂的内存回收机制，它通过扫描程序的堆内存，找出不再被使用的对象，并回收其占用的内存空间。

常见的垃圾回收算法有标记-清除算法、标记-整理算法和复制算法等。

3. 内存保护内存保护是指操作系统对内存空间的保护机制，以防止进程之间的干扰和非法访问。

在实现内存保护时，操作系统通常采用分段和分页的方式。

分段是将进程的地址空间划分为若干个段，每个段具有不同的权限，如只读、可写等。

这样可以有效地限制进程对内存空间的访问权限。

分页则是将进程的地址空间划分为固定大小的页，每个页都有相应的访问权限。

通过页表来映射进程的虚拟地址和物理地址，以实现内存的保护和地址转换。

二、文件系统原理文件系统是操作系统中用于管理文件和目录的机制。

文件系统的设计和实现涉及文件的组织、存储和管理等方面。

操作系统存储管理实验报告实验5存储管理第一，实验的目的1，加深对操作系统存储管理的理解2，可以过度模拟页面调试算法，加深对操作系统内存管理的理解二、一般设计思想、环境语言、工具等一般设计思想:1.编写一个函数来计算和输出以下算法的命中率:(1) OPT页面替换算法OPT选定的过时页面是已经转移到内存中并且将来不会被使用或者在最长时间内不会被访问的页面。

因此，如何找到这样的页面是算法的关键。

每页可以设置一个步长变量。

它的初始值是一个足够大的数字。

对于不在内存中的页面，其值将重置为零。

对于内存中的页面，其值被重置为当前访问的页面与页面首次出现时的距离。

因此，该值越大，在最长时间内不会被访问的页面就越多，并且可以选择它作为交换页面。

(2)先进先出页面替换算法先进先出总是选择首先进入内存的页面进行清除，因此可以设置先进先出的繁忙页面帧队列，新转移到内存的页面挂在队列的尾部，当没有空闲页面帧时，可以从队列的头部取出下一个页面帧作为空闲页面帧，然后再转移到需要的页面。

(3) LRU页面替换算法LRU 根据转移到存储器中的页面的使用做出决定。

它使用“最近的过去”作为“最近的未来”的近似，并选择最长时间没有使用的页面进行删除。

该算法主要通过页面结构中的访问时间来实现。

时间记录页面的最后访问时间。

因此，当需要删除一个页面时，选择时间值最小的页面，即最近最长时间没有使用的页面进行删除。

(4) LFU页面替换算法LFU要求每个页面配置一个计数器(即页面结构中的计数器)。

一旦页面被访问，计数器的值将增加1。

当需要替换一个页面时，将选择计数器值最小的页面，即存储器中访问次数最少的页面进行清除。

⑤NUR页面替换算法NUR要求为每个页面设置一个访问位(访问位仍然可以由页面结构中的计数器表示)。

当页面被访问时，其访问位计数器被设置为1。

当需要页面替换时，替换算法从替换指针(最初指向第一页)开始顺序检查内存中的每一页。

如果其访问位为0，则选择页面进行替换，否则，替换指针向下移动以继续向下搜索。

计算机操作系统中的内存管理和虚拟化技术计算机操作系统是现代计算机体系结构中不可分割的组成部分。

内存管理和虚拟化技术是计算机操作系统的重要功能之一，它们在保证计算机系统性能和安全性方面发挥着重要作用。

一、内存管理技术内存管理技术是操作系统中实现内存资源的高效利用和保护的重要手段。

计算机系统中的内存被划分为多个逻辑单元，各个逻辑单元之间进行切换和管理，以实现多个进程或任务的并发执行。

1. 内存的划分内存划分是内存管理的第一步。

一般情况下，计算机系统将内存划分为操作系统区域和用户区域。

操作系统区域用于存放操作系统内核和相关数据结构，而用户区域用于存放用户程序和数据。

2. 内存映射内存映射是将逻辑地址转换为物理地址的过程。

操作系统通过地址映射表或页表，将逻辑地址映射到实际的物理地址，以实现程序的正确执行和内存的动态管理。

3. 内存分配与回收内存分配与回收是内存管理的核心功能。

操作系统通过内存分配算法，为进程分配内存空间。

而当进程终止或释放内存时，操作系统需要回收这些空间以供其他进程使用。

4. 内存保护内存保护是防止进程之间互相干扰的重要手段。

通过设定访问权限和限制资源的使用，操作系统可以确保每个进程仅能访问自己被分配到的内存空间，从而保护进程的安全性和稳定性。

二、虚拟化技术虚拟化技术是一种将物理资源抽象为逻辑资源，并为不同的用户或应用程序提供独立的逻辑环境的技术。

在计算机操作系统中，虚拟化技术主要包括虚拟内存和虚拟机技术。

1. 虚拟内存虚拟内存是一种将主存和辅助存储器组合使用的技术。

它通过将物理内存的一部分作为虚拟内存空间，将进程的一部分内容从内存转移到硬盘上，以提高内存的利用率和系统的吞吐量。

2. 虚拟机虚拟机技术是将一个物理计算机虚拟为多个逻辑计算机的技术。

通过虚拟化软件的支持，可以在一台物理机上同时运行多个操作系统和应用程序，实现资源的共享和隔离，提高计算机系统的利用率和灵活性。

虚拟化技术在云计算和服务器虚拟化中得到了广泛应用，它极大地提升了计算机系统的效率和灵活性，降低了资源的成本和能源消耗。

第一章 存储器管理4.1 存储器的层次结构—存储器应容量大,便宜,速度跟上处理器4.1.1 多级存储器结构通常有三层,细分为六层,如图4-1, 越往上,速度越快,容量越小,价格越贵; 寄存器和主存又称可执行存储器,进程可直接用指令访问,辅存只能用I/O 访问;4.1.2 主存储器与寄存器1.主存储器---内存,保存进程运行时的程序和数据;CPU与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间;为缓和访存速度远低于CPU 执行指令的速度,在计算机系统中引入了寄存器和高速缓存;2.寄存器---与CPU 协调工作,用于加速存储器的访问速度,如用寄存器存放操作数,或用地址寄存器加快地址转换速度等;4.1.3 高速缓存和磁盘缓存1.高速缓存---根据程序执行的局部性原理将主存中一些经常访问的信息程序、数据、指令等存放在高速缓存中,减少访问主存储器的次数,可大幅度提高程序执行速度;2.磁盘缓存---将频繁使用的一部分磁盘数据和信息,暂时存放在磁盘缓存中,可减少访问磁盘的次数;它依托于固定磁盘,提供对主存储器存储空间的扩充,即利用主存中的存储空间,来暂存从磁盘中读/写入的信息;4.2 程序的装入和链接多道程序运行,需先创建进程;而创建进程第一步是将程序和数据装入内存;将源程序变为可在内存中执行的程序,通常都要经过以下几个步骤：编译---若干个目标模块；链接---链接目标模块和库函数,形成装入模块；装入---图 4-2 对用户程序的处理步骤寄存器高速缓存主存磁盘缓存磁盘可移动存储介质CPU 寄存器主存辅存第一步第二步第三步内存4.2.1 程序的装入——无需连接的单目标模块装入理解装入方式1. 绝对装入方式Absolute Loading Mode ---只适用单道程序环境如果知道程序的内存位置,编译将产生绝对地址的目标代码,按照绝对地址将程序和数据装入内存;由于程序的逻辑地址与实际内存地址完全相同,故不须对程序和数据的地址进行修改;绝对地址：可在编译时给出或由程序员直接赋予;若由程序员直接给出,不利于程序或数据修改,因此,通常是在程序中采用符号地址,然后在编译或汇编时转换为绝对地址;2. 可重定位装入方式Relocation Loading Mode ---适于多道程序环境多道程序环境下,编译程序不能预知目标模块在内存的位置;目标模块的起始地址是0,其它地址也都是相对于0计算的;此时应采用可重定位装入方式,根据内存情况,将模块装入到内存的适当位置,如图4-3 作业装入内存时的情况 ;3.动态运行时装入方式Dynamic Run-time Loading ---适于多道程序环境可重定位装入方式并不允许程序运行时在内存中移动位置;但是,在运行过程中它在内存中的位置可能经常要改变,此时就应采用动态运行时装入方式;动态运行时的装入程序,在把装入模块装入内存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序真正执行时才进行;因此,装入内存后的所有地址都仍是相对地址;问题：程序装入内存后修改地址的时机是什么4.3 连续分配方式4.3.3 动态分区分配——根据进程需要动态分配内存1. 分区分配中的数据结构1 空闲分区表—用若干表目记录每个空闲分区的分区序号、分区始址及分区的大小等数据项;2 空闲分区链--为实现对空闲分区的分配和链接,在每分区起始部分,设置前向指针,尾部则设置一后向指针;为检索方便,在分区前、后向指针中,重复设置状态位和分区大小表目;当分0内存空间区被分配后,把状态位由“0”改为“1”时,前、后向指针失去意义;图 4-5 空闲链结构2. 分区分配算法P1231首次适应算法first-fit —空闲分区链以地址递增次序链接 每次按分区链的次序从头查找,找到符合要求的第一个分区;2 循环首次适应算法—FF 算法的变种从上次找到的空闲分区位置开始循环查找,找到后,修改起始查找指针; 3 最佳适应算法—空闲分区按容量从小到大排序 把能满足要求的、最小的空闲分区分配给作业 4 最坏适应算法——空闲分区按容量从大到小排序 挑选最大的空闲区分给作业使用；5) 快速适应算法—根据容量大小设立多个空闲分区链表3. 分区分配操作1.分配内存请求分区u.size; 空闲分区m.size; m.size-u.size ≤size,说明多余部分太小, 不再切割,将整个分区分配给请求者；否则从该分区中划分一块请求大小的内存空间,余下部分仍留在空闲分区链;如图4-6 内存分配流程;2.回收内存1 回收区与插入点的前一空闲分区F1相邻：合并,修改F1大小;2 回收区与后一空闲分区F2相邻：合并,修改首地址和大小;3 回收区同时与前、后两个分区邻接：合并,修改F1大小,取消F2;4 回收区不邻接：新建表项,填写首地址和大小,并插入链表;如图前向指针N ＋20N 个字节可用后向指针N ＋2图 4-6 内存分配流程4.3.6 可重定位分区分配1．动态重定位的引入例：在内存中有四个互不邻接的小分区,容量分别为10KB 、30KB 、14KB 和26KB;若现有一作业要获得40KB 的内存空间,因连续空间不足作业无法装入;可采用的一种解决方法是：通过移动内存中作业的位置,以把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法,称为“拼接”或“紧凑;由于用户程序在内存中位置的变化,在每次“紧凑”后,都必须对移动了的程序或数据进行重定位;图 4-8 紧凑的示意4.3.7 对换即中级调度1. 对换Swapping 的引入(a ) 紧凑前(b ) 紧凑后“活动阻塞”进程占用内存空间；外存上的就绪作业不能进入内存运行;所谓“对换”,是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据,调出到外存上,以便腾出足够的内存空间；再把已具备运行条件的进程或所需要的程序和数据,调入内存;对换是提高内存利用率的有效措施;根据对换单位可分为：进程对换、页面对换和分段对换;为了能实现对换,系统应具备以下三方面功能：对换空间的管理、进程的换出与换入2. 进程的换出与换入1进程的换出选择阻塞且优先级最低的进程,将它的程序和数据传送到磁盘对换区上;回收该进程所占用的内存空间,并对该进程的进程控制块做相应的修改;2进程的换入找出“就绪” 但已换出到磁盘上时间最久的进程作为换入进程,将之换入,直至已无可换入的进程;4.4 基本分页存储管理方式前面的连续分配方案会形成许多“碎片”,“紧凑”方法可以解决碎片但开销大;是否允许进程离散装入 离散单位不同,称分页式存储和分段式存储;不具备对换功能称为“基本分页式”,支持虚拟存储器功能称为“请求基本分页式”;4.4.1 页面与页表1. 页面1 页面和物理块---将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面,并为各页编号;相应地把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块,称为物理块,也同样编号;分配时,将进程中的页装入到物理块中,最后一页经常装不满一块而形成 “页内碎片”;2 页面大小---页面的大小应选择适中;页面太小,内存碎片减小,利用率高；但页表过长,占大量内存;页面较大,页表长度小；但页内碎片大;因此,页面的大小应选择得适中,且页面大小应是2的幂,通常为512 B~8 KB;2. 地址结构分页地址中的地址结构如下：31 12 11 0它含有两部分：页号P12～31位,最多有1M 页和页内位移量W0～11位,每页的大小4KB ； 对某特定机器,其地址结构是一定的;若给定一个逻辑地址空间中的地址为A,页面的大小为L,则页号P 和页内地址d 可按下式求得：MODL A d L A INT P ][=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=3. 页表---实现从页号到物理块号的地址映射用户程序0 页1 页2 页3 页4 页5 页…n 页页表内存4.4.2 地址变换机构任务：将逻辑地址转换为物理地址；页内地址变换:因页内地址与物理地址一一对应, 可直接转换；页号变换：页表可实现从逻辑地址中页号到内存中物理块号的变换； 1．基本的地址变换机构a. 页表功能可由一组专门的寄存器实现原理；b. 页表大多驻留内存,系统中只设置一页表寄存器来存放页表在内存的始址和页表长度实际操作；c. 进程未执行时,页表始址和长度存放在PCB 中;执行时才将这两个数据装入页表寄存器中过程;图 4-12 分页系统的地址变换机构2. 具有快表的地址变换机构a. 仅用页表寄存器时,CPU 每存取一数据要两次访问内存页表-地址变换-数据；b. 为提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器用以存放当前访问的那些页表项,称为“快表”;c. ->在CPU 给出逻辑地址,将页号P 送入快表 ->页号匹配,读物理块号后送物理地址寄存器->无匹配页号,再访问内存中页表,把从页表项中读出的物理块号送地址寄存器；同时,再将此页表项存入到快表中;->如快表已满,则OS 须找到一换出页表项换出; 为什么增加“快表”为了提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器,又称为“联想寄存器”Associative Memory,或称为“快表 “快表”有何缺点越界中断图 4-13 具有快表的地址变换机构4.5 基本分段存储管理方式4.5.1 分段存储管理方式的引入为什么引入推动内存从固定分配到动态分配直到分页存储,主要动力是内存利用率,而引入分段存储管理方式,主要是为了满足用户和程序员的下述一系列需要：1方便编程---把作业按逻辑关系划分为若干段,每段有自己的名字和长度,并从0开始编址;LOAD 1,A|<D>; STORE 1,B|<C>2 信息共享---段是信息的逻辑单位;为实现共享,存储管理应与用户程序分段的组织方式相适应;3 信息保护---对信息的逻辑单位进行保护,应分段管理;4 动态增长---分段存储能解决数据段使用过程中动态增长;5 动态链接---运行过程中动态调入以段为单位的目标程序;4.5.2 分段系统的基本原理1. 分段作业划分为若干段,如图4-16,每个段用段号来代替段名,地址空间连续;段的长度由逻辑信息长度决定,因而各段长度不等;其逻辑地址由段号段名和段内地址所组成,结构如下： 31 16 15 0该地址结构中,允许一个作业最多有64K 个段,每个段的最大长度为64KB;编译程序能自页表寄存器逻辑地址L 物理地址动根据源程序产生若干个段;2.段表,其中每段占一个表项,中;图4-16 利用段表实现地址映射3.分页和分段的主要区别1 页是信息的物理单位,分页是为提高内存的利用率,是为满足系统管理的需要;段则是信息的逻辑单位,分段是为了能更好地满足用户的需要;2 页的大小固定且分页由系统硬件实现；而段的长度不固定,通常由编译程序根据信息的性质来划分;3 分页的作业地址空间是一维的,程序只需一个地址记忆符；而分段的作业地址空间是二维的,程序员既需给出段名,又需给出段内地址;4.5.3 信息共享可重入代码纯代码:允许多个进程同时访问的代码;绝对不允许可重入代码在执行中改变,因此,不允许任何进程修改它;4.5.4 段页式存储管理方式1.基本原理---,,,4KB;作业空间内存空间子程序段数据段(a)段号(S)段内页号(P)页内地址(W)(b)主程序段图4-21 利用段表和页表实现地址映射4.6 虚拟存储器的基本概念前面各种存储器管理方式共同点：它们要求将一个作业全部装入内存后方能运行,于是出现了下面这样两种情况：1 有的作业很大,其所要求的内存空间超过了内存总容量,作业不能全部被装入内存,致使该作业无法运行;2 有大量作业要求运行,但由于内存容量不足以容纳所有这些作业,只能将少数作业装入内存让它们先运行,而将其它大量的作业留在外存上等待;4.5.1 虚拟存储器的引入1.常规存储器管理方式的特征1 一次性;将作业全部装入内存后方能运行,此外有许多作业在每次运行时,并非其全部程序和数据都要用到;一次性装入,造成了对内存空间的浪费;2 驻留性;作业装入内存后一直驻留,直至运行结束;尽管因故等待或很少运行,都仍将继续占用宝贵的内存资源;现在要研究的问题是：一次性及驻留性在程序运行时是否必需;2.局部性原理早在1968年, Denning.P就曾指出：1 程序执行时,除了少部分的转移和过程调用指令外,在大多数情况下仍是顺序执行的;2 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域,但经研究看出,过程调用的深度在大多数情况下都不超过5;3 程序中存在许多循环结构,这些虽然只由少数指令构成, 但是它们将多次执行;4 程序中还包括许多对数据结构的处理, 如对数组进行操作,它们往往都局限于很小的范围内;局限性主要表现在下述两个方面：1 时间局限性－由于循环操作的存在;如果程序中的指令或数据一旦执行,则不久以后可能再次访问;2 空间局限性－由于程序的顺序执行;程序在一段时间内所访问的地址,可能集中在一定的范围之内;3. 虚拟存储器定义---基于局部性原理程序运行前,仅须将要运行的少数页面或段装入内存便可启动,运行时,如果需要访问的页段尚未调入内存缺页或缺段,用OS提供请求调页段功能调入;如果此时内存已满,则还须再利用页段的置换功能,将内存中暂时不用的页段调至外存,腾出足够的内存空间后,再将要访问的页段调入;所谓虚拟存储器,是指具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑上扩充内存容量的一种存储器系统;其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定,其运行速度接近于内存,成本接近于外存;4.6.3 虚拟存储器的特征1)多次性---一个作业被分成多次调入内存运行,最初装入部分程序和数据,运行中需要时,再将其它部分调入;2)对换性---允许在作业的运行过程中进行换进、换出;换进和换出能有效地提高内存利用率;3)虚拟性---从逻辑上扩充内存容量,使用户所看到远大于实际内存容量;这是虚拟存储器最重要的特征和最重要的目标;4)离散性---是以上三个特性的基础,在内存分配时采用离散分配的方式;备注：虚拟性是以多次性和对换性为基础的,而多次性和对换性又必须建立在离散分配的基础上;4.7 请求分页存储管理方式4.6.1 请求分页中的硬件支持---页表、缺页中断和地址变换请求分页系统是在分页的基础上,增加了“请求调页”和“页面置换”功能,每次调入和换出基本单位都是长度固定的页,实现比请求分段简单;1．页表机制---将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址,因只将部分调入内存,需增设若干项;在请求分页系统中的每个页表项如下所示：1 状态位P：该页是否已调入内存,供访问时参考;2 访问字段A：记录一段时间内本页被访问的频率,供选择换出页时参考;3 修改位M：页在调入内存后是否被修改过,供置换页面时参考;4 外存地址：指出该页在外存上的地址,即物理块号,供调入该页时参考;4.7.2 内存分配策略和分配算法1.最小物理块数的确定是指能保证进程正常运行所需的最小物理块数,当系统为进程分配的物理块数少于此值时,进程将无法运行;进程应获得的最少物理块数与计算机的硬件结构有关;对于某些简单的机器,所需的最少物理块数为2,分别用于存放指令和数据,间接寻址时至少要有三块;对于某些功能较强的机器,因其指令本身、源地址和目标地址都可能跨两个页面,至少要为每个进程分配6个物理块,以装入这些页面;2. 物理块的分配策略请求分页系统的两种内存分配策略：即固定和可变分配策略；两种置换策略：即全局置换和局部置换;可组合出以下三种策略;1 固定分配局部置换Fixed Allocation, Local Replacement--每进程分配一定数目的物理块,在整个运行期间都不再改变,换入换出都限于这些物理块;每个进程物理块难以确定,太多太少都不好2 可变分配全局置换Variable Allocation, Global Replacement --每进程分配一定数目的物理块,OS 保持一空闲物理块队列;进程缺页时,摘下一空闲块,并将该页装入;3 可变分配局部置换Variable Allocation, Local Replacemen －－每进程分配一定数目的物理块;进程缺页时,只允许从该进程内存页中选出一页换出;若缺页中断频繁,再为该进程分配若干物理块,直至缺页率减少；若缺页率特低,则减少该进程的物理块数,应保证缺页率无明显增加;3. 物理块分配算法1 平均分配算法－－将所有可供分配的物理块,平均分配给各个进程; 例如,有100个物理块,5个进程,每进程可分20个物理块;未考虑到各进程本身的大小;2 按比例分配算法－－根据进程的大小按比例分配物理块;共n 个进程,每进程页面数为si,则页面数的总和为：设可用的物理块为m,每进程分到的物理块数为bi,有：3 考虑优先权的分配算法－－为了照顾重要、紧迫的作业尽快完成,为它分配较多的空间;通常采取：把可供分配的物理块分成两部分：一部分按比例分给各进程；另一部分根据优先权分给各进程;有的系统是完全按优先权来分配;4.7.3 调页策略1. 何时调入页面1 预调页策略缺页前 ：页面存放连续,用预测法一次调入多个相邻页,预测成功率仅为50％;2 请求调页策略缺页时：运行中,发现不在内存,立即请求,由OS 调入;2. 从何处调入页面请求分页系统中外存分为两部分：文件区和对换区;这样,当发生缺页请求时,系统应从何处将缺页调入内存：1 系统拥有足够的对换区,可以全部从对换区调入所需页面;在进程运行前,须将有关的文件拷贝到对换区;2 系统缺少足够的对换区,这时凡是不会被修改的文件,都直接从文件区调入,由于它们未被修改而不必换出;但对于可能被修改的部分,换出时调到对换区,以后需要时,再从对换区调入;3 UNIX 方式;凡是未运行过的页面,都应从文件区调入；曾运行过但已换出的页面,放在∑==ni iS S 1m SS b ii ⨯=对换区,下次应从对换区调入;4.8 页面置换算法当进程运行时,所访问的页面不在内存而需要将他们调入内存,但内存无空闲时,需要选择一页面换出到对换区,选择算法即页面置换算法;算法评价：页面置换频率低,调出页面将不会或很少访问;4.8.1 最佳置换算法和先进先出置换算法1. 最佳Optimal 置换算法由Belady 于1966年提出的一种理论上的算法;原理：其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的, 或是在最长未来时间内不再被访问的页面;特点：通常可获得最低的缺页率,但由于进程运行不可预知而无法实现,用来评价其他算法;假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下的页面号引用串：7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1进程运行时,先将7,0,1三页装入内存;当进程要访问页面2时,将会产生缺页中断,此时OS 根据最佳置换算法,将选择页面7予以淘汰;共发生6次页面置换;图 4-25 利用最佳页面置换算法时的置换图 2. 先进先出FIFO 页面置换算法---总是置换最先进入内存的页面;用FIFO 算法共发生12次页面置换;该算法与进程的实际运行规律不相符,有些页面经常被访问全局变量,常用函数;图 4-26 利用FIFO 置换算法时的置换图4.8.2 最近最久未使用Least Recently Used LRU 置换算法1. LRU置换算法 ---在无法预测各页面将来使用情况下,利用“最近过去”作为“最近将来”的近似选择最近最久未使用的页面予以淘汰;用LRU 算法共发生9次页面置换;引用率70770170122010320304243230321201201770101页框(物理块）203图 4-27 LRU 页面置换算法2. LRU 置换算法的硬件支持LRU 算法比较好,但为了快速知道哪一页是最近最久未使用的页面,需要硬件支持：寄存器或栈;1 寄存器为了记录某进程在内存中各页的使用情况,须为每个页面配置一个移位寄存器,可表示为：原理：进程访问某物理块时,先将寄存器的Rn-1位设成1;此时,定时信号将每隔一定时间将寄存器右移一位;若将n 位寄存器的数看做是一整数,那么,具有最小数值的寄存器所对应的页面,就是最近最久未使用的页面;例：某进程在内存中有8个页面,为每页面配置一8位寄存器时的LRU 访问情况,如图4-28图 4-28 某进程具有8个页面时的LRU 访问情况2 栈--利用栈来保存当前使用的各页面的页面号;原理：每当进程访问某页面时,便将该页面的页面号从栈中移出,将它压入栈顶;因此,栈顶始终是最新被访问页面的编号,而栈底则是最近最久未使用页面的页面号;假定现有一进程所访问的页面的页面号序列为：4,7,0,7,1,0,1,2,1,2,6随着进程的访问,栈中页面号的变化情况如图4-29所示;在访问页面6时发生了缺页,此时页面4是最近最久未被访问的页,应将它置换出去;LRU 算法较好,但要求较多硬件支持, 实际使用接近LRU算法－Clock 算法;图引用率70770170122010323104430230321013201770201页框2304204230230127127011474074704170401741074210741207421074621074-29 用栈保存当前使用页面时栈的变化情况。

操作系统内存管理操作系统内存管理是计算机操作系统中非常重要的一部分。

它负责管理计算机系统中的内存资源，确保内存的合理分配和使用，以提高系统的性能和效率。

本文将从内存管理的基本概念、内存分配算法、内存保护和虚拟内存等方面进行论述。

一、内存管理的基本概念内存管理是指操作系统对内存资源进行有效管理的过程。

它主要包括内存分配、内存回收和内存保护等方面。

内存分配是指在程序执行过程中，将需要的内存分配给相应的进程；内存回收是指在程序执行结束后，将释放出来的内存重新纳入到可用的内存资源中；内存保护则是通过权限设置和地址转换等机制，保护每个进程的内存空间不被其他进程非法访问。

二、内存分配算法1.连续分配算法连续分配算法是最简单且最常用的内存分配算法之一。

它将内存划分为若干大小相等的分区，并根据进程的需求进行分配。

常见的连续分配算法有首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法。

2.非连续分配算法非连续分配算法采用分段或分页的方式对内存进行分配。

分段是将程序分为多个独立的段，每个段可以是代码段、数据段或堆栈段；分页则是将程序分为固定大小的页面，每个页面大小相等。

常见的非连续分配算法有段式管理和页面管理。

三、内存保护内存保护是指为了防止进程之间相互干扰，操作系统对每个进程的内存空间进行保护和隔离。

常见的内存保护机制有地址空间隔离和权限设置。

地址空间隔离是通过将每个进程的地址空间映射到不同的物理内存区域，使得每个进程拥有独立的内存空间；权限设置则是通过设置不同的权限位，限制每个进程对内存的访问权限。

四、虚拟内存虚拟内存是操作系统提供给程序的一种抽象概念，它将物理内存抽象成一个高效且无限大的内存空间，从而使得程序能够使用比实际可用内存更大的内存空间。

虚拟内存通过缺页中断和页面置换算法实现内存的动态分配和调度，能够有效地提高系统的内存利用率和性能。

总结：操作系统内存管理是确保计算机系统正常运行的重要组成部分。

通过合理的内存管理可以提高系统的性能和效率，确保每个进程的内存空间得到保护和隔离。

深入了解计算机操作系统的存储管理计算机操作系统是计算机系统的核心组成部分，为计算机软件和硬件的协调运行提供支持。

计算机内存是计算机硬件中的重要组成部分，是计算机系统运行的基础。

在计算机操作系统中，存储管理是最基本的操作之一。

本文将深入探讨计算机操作系统中的存储管理。

一、存储管理概述在计算机操作系统中，存储管理主要包括内存分配和内存回收两个方面。

内存分配是指在计算机系统启动时，将内存分为多个块，并为进程和线程分配所需的内存，以保证它们可以正常运行；内存回收是指在进程和线程退出时，将分配给它们的内存释放给系统，以便供其他进程和线程使用。

二、内存分配技术为了更好地满足进程和线程的内存需求，计算机操作系统采用了多种内存分配技术，包括动态内存分配和静态内存分配两种。

1、动态内存分配动态内存分配是指在进程和线程运行时，根据其实际内存需求进行内存分配。

操作系统通常采用分区技术对内存进行分配，可以分为固定分区和动态分区两种。

(1) 固定分区固定分区是指将内存分为若干个固定大小的分区，每个分区只能分配给一个进程或线程使用。

由于分区大小固定，因此容易产生“内存碎片”的问题，如果分区大小过小会浪费内存，如果分区大小过大则会导致分配不均。

因此，固定分区在实际应用中并不常用。

(2) 动态分区动态分区是指将内存分为若干个不固定大小的分区，每个分区可以根据进程或线程的实际内存需求进行分配。

动态分区主要解决了固定分区的一些问题，但也会产生“内存碎片”问题。

2、静态内存分配静态内存分配是指在编译时就将内存分配给进程或线程，并在运行时不再进行内存分配。

静态内存分配主要用于一些固定的程序或数据结构上，通常不适用于通用操作系统中。

三、内存回收技术在进程或线程退出时，需要将其占用的内存释放，并返还给系统。

内存回收主要包括两种技术，分别为手动回收和自动回收。

1、手动回收手动回收是指在编写程序时，由程序员手动释放所分配的内存。

手动回收需要注意内存泄漏和悬挂指针等问题，需要程序员自己负责管理内存。

计算机操作系统内存管理了解内存分配和回收的原理计算机操作系统内存管理是操作系统中极为重要的一部分，它负责管理计算机主存（内存）的分配和回收。

内存分配和回收的原理对于了解计算机系统的运行机制至关重要。

本文将从内存管理的基本概念开始，介绍内存的分配和回收原理。

一、内存管理基本概念内存管理是操作系统中的一个重要功能，其主要任务是将有限的内存资源分配给各个进程，并及时回收不再使用的内存。

内存管理的核心是虚拟内存技术，它将计算机的内存空间划分为若干个固定大小的页或块，每个进程都认为自己拥有整个内存空间。

二、内存分配原理1. 连续分配在早期的操作系统中，内存分配采用的是连续分配原理。

系统将内存分为固定大小的分区，并为每个进程分配连续的内存空间。

这种分配方法简单高效，但会导致内存碎片问题，进而影响系统性能。

2. 非连续分配为解决内存碎片问题，后来的操作系统引入了非连续分配原理。

非连续分配可以分为分页式和分段式两种方式。

- 分页式：将物理内存划分为固定大小的页框，逻辑地址空间也被划分为相同大小的页。

通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射。

- 分段式：将逻辑地址空间划分为若干个段，每个段的大小可以不同。

通过段表实现逻辑地址到物理地址的映射。

三、内存回收原理内存回收是指在进程不再使用某块内存时，及时将其释放，使其成为可供其他进程使用的空闲内存。

内存回收涉及到的主要原理有以下几种：1. 清除位图操作系统通过使用一张位图，来记录内存中的空闲块和已分配块的状态。

当一个进程释放内存时，系统会将相应的位图标记为空闲，以便后续进程可以使用。

2. 空闲链表操作系统通过维护一个空闲链表来管理空闲内存块。

当一个进程释放内存时，系统会将该内存块插入空闲链表，使其成为可供其他进程分配的空闲内存。

3. 垃圾回收垃圾回收是指当进程释放内存后，操作系统自动检测并回收无法访问到的对象所占用的内存。

垃圾回收可以通过引用计数和标记清除等算法实现。

四、内存管理策略为了提高内存利用率和系统性能，操作系统采用了一系列内存管理策略：1. 内存分配策略- 最先适应算法：从空闲链表中选择第一个足够大的内存块分配给进程。

操作系统课程设计内存管理一、课程目标知识目标：1. 理解内存管理的基本概念，掌握内存分配、回收的原理及方法；2. 掌握虚拟内存的原理，了解分页、分段等内存管理技术；3. 了解操作系统中内存保护、共享、碎片处理等相关问题。

技能目标：1. 能够运用所学知识，分析并设计简单的内存管理算法；2. 能够通过编程实践，实现基本的内存分配与回收功能；3. 能够运用虚拟内存技术，解决实际问题。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统中内存管理知识的学习兴趣，激发学生主动探索精神；2. 培养学生的团队协作意识，学会与他人共同解决问题；3. 增强学生的信息安全意识，了解内存管理在操作系统安全中的重要性。

课程性质分析：本课程为操作系统课程设计的一部分，侧重于内存管理方面的知识。

内存管理是操作系统核心功能之一，对于提高系统性能、保障系统安全具有重要意义。

学生特点分析：学生为计算机科学与技术等相关专业的高年级本科生，具备一定的操作系统基础知识，具备一定的编程能力，但可能对内存管理的深入了解和应用尚有不足。

教学要求：1. 结合实际案例，深入浅出地讲解内存管理的基本原理和方法；2. 采用任务驱动法，引导学生通过实践，掌握内存管理技术；3. 注重培养学生的动手能力和创新能力，提高学生解决实际问题的能力。

二、教学内容1. 内存管理概述：介绍内存管理的基本概念、任务和目标；- 教材章节：第2章 内存管理概述- 内容：内存分配、回收原理，内存保护、共享机制。

2. 内存管理技术：讲解物理内存管理和虚拟内存管理技术；- 教材章节：第3章 内存管理技术- 内容：分页管理、分段管理、段页式管理，内存碎片处理。

3. 内存管理算法：分析常见的内存分配和回收算法；- 教材章节：第4章 内存管理算法- 内容：首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法等。

4. 操作系统内存管理实例分析：结合具体操作系统，分析其内存管理实现；- 教材章节：第5章 操作系统内存管理实例- 内容：Linux内存管理、Windows内存管理。

操作系统-存储管理操作系统-存储管理一、引言存储管理是操作系统中重要的组成部分，它负责管理计算机系统中的存储器资源。

存储管理的任务包括内存分配、内存保护、内存回收等，通过有效的存储管理可以充分利用系统的存储资源，提高系统的运行效率和性能。

二、内存层次结构1、主存储器主存储器是计算机系统中最主要的存储器，它用于存放正在运行的程序和数据，是CPU直接访问的存储器。

主存储器一般被划分为若干个固定大小的块，每个块被称为一页，每一页可以存放一个进程的一部分或全部。

2、辅助存储器辅助存储器是主存储器的扩展，主要用于存储大容量的数据和程序。

辅助存储器包括硬盘、磁带等设备，其访问速度比主存储器慢，但容量较大。

三、内存管理1、内存分配方式a：静态分配静态分配是指在程序运行之前，就确定了程序在内存中的位置。

静态分配的优点是简单高效，但是会浪费存储资源。

b：动态分配动态分配是指程序在运行时，根据需要动态分配内存。

动态分配的优点是灵活高效，但是需要额外的内存管理开销。

2、内存管理算法a：首次适应算法首次适应算法是按照内存块的起始地质逐一查找，找到第一个大小大于等于要求的空闲的内存块进行分配。

b：最佳适应算法最佳适应算法是在所有满足要求的内存块中选择大小最小的内存块进行分配。

c：最差适应算法最差适应算法是在所有满足要求的内存块中选择大小最大的内存块进行分配。

3、内存保护内存保护是指通过访问权限控制，确保每个进程只能访问自己分配的内存空间，防止进程之间的干扰。

4、内存回收内存回收是指当进程不再使用某些内存空间时，将其释放给系统以便后续的内存分配。

内存回收可以通过标记清除算法、引用计数算法等方式实现。

四、虚拟内存管理1、虚拟内存机制虚拟内存是一种扩展的内存管理技术，它通过将部分程序或数据装入主存储器，并实现从辅助存储器到主存储器的动态迁移，提高了计算机系统的运行性能。

2、页面置换算法页面置换算法是指当主存储器已满时，需要置换出某些页面到辅助存储器中，以便为新的页面腾出空间。

了解计算机操作系统内存管理在计算机科学领域中，操作系统是一种关键的软件，它为计算机硬件和应用程序提供了一个桥梁。

而内存管理作为操作系统的一个重要功能，负责管理计算机的内存资源，使得多个应用程序可以并行运行。

本文将探讨计算机操作系统内存管理的相关知识，帮助读者更好地理解和利用操作系统的优势。

一、内存管理的基本概念在计算机的内存管理中，一个重要的概念是虚拟内存。

虚拟内存是一种在物理内存和磁盘之间建立映射的技术，它可以将磁盘作为扩展内存使用。

操作系统通过分页和分段的技术，将程序地址空间分割为多个固定大小的页或段，然后将这些页或段映射到物理内存或磁盘上。

这样，即使内存不足，操作系统也可以根据需要将内存中的数据移入磁盘，以满足应用程序的要求。

二、页面置换算法当内存资源有限时，操作系统需要根据一定的策略来选择哪些页面从内存中被置换出去。

最常用的页面置换算法是最近最久未使用（LRU）算法。

该算法依据最近页面访问的时间，将最长时间没有被访问的页面置换出内存。

此外，还有最不经常使用（LFU）算法和先进先出（FIFO）算法等。

这些算法在不同的场景下有不同的适用性和效果，操作系统需要选择合适的算法来提高内存利用率和性能。

三、内存保护与共享在多道程序设计的环境下，多个应用程序同时运行，因此需要确保它们的内存空间不互相干扰。

操作系统通过使用地址空间隔离和权限位保护等技术来实现内存保护。

地址空间隔离可以确保每个应用程序拥有独立的地址空间，从而不会互相干扰。

而权限位保护可以设置每个页或段的访问权限，比如只读、可写、可执行等，进一步增强内存的安全性和稳定性。

另一方面，内存共享也是一种重要的技术。

当多个应用程序需要访问相同的数据或代码时，可以通过共享内存来提高效率和节约资源。

操作系统可以在不同的应用程序之间建立共享内存区域，并对其进行适当的权限控制，实现数据和代码的共享。

四、虚拟内存管理虚拟内存管理是内存管理的高级技术，在现代操作系统中得到广泛应用。