存储器管理

存储器管理的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解存储器管理的基本概念，包括内存分配、回收、碎片处理等。

2. 学生掌握存储器管理的主要技术，如分页管理、分段管理、虚拟内存等。

3. 学生了解不同操作系统中的存储器管理策略及其优缺点。

技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的内存分配算法，解决实际问题。

2. 学生能够分析并优化存储器管理策略，提高内存利用率和系统性能。

3. 学生通过案例分析和实践操作，培养解决问题的能力和团队协作精神。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对计算机操作系统和存储器管理技术的兴趣，提高学习积极性。

2. 学生认识到存储器管理在计算机系统中的重要性，增强对操作系统整体架构的认识。

3. 学生在课程学习过程中，培养严谨、客观、合作、创新的精神风貌。

课程性质分析：本课程属于计算机科学领域，涉及操作系统原理及其应用。

针对高年级学生，课程内容具有一定的理论深度和实用性。

学生特点分析：学生具备一定的编程基础和操作系统知识，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。

在学习过程中，注重理论与实践相结合，培养学生的实际操作能力。

教学要求：1. 结合教材内容，注重知识点的深入讲解和实际应用。

2. 采用案例教学，引导学生主动参与，培养解决问题的能力。

3. 强化实践环节，让学生在实际操作中掌握存储器管理的核心技术和方法。

4. 注重课堂互动，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果。

二、教学内容1. 存储器管理概述：介绍存储器管理的基本概念、作用和重要性。

- 内存分配与回收- 内存碎片处理- 存储器保护机制2. 分页管理技术：讲解分页管理的原理、实现方法及其优缺点。

- 分页机制- 页表- 分页置换算法3. 分段管理技术：分析分段管理的原理、实现方法及其优缺点。

- 分段机制- 段表- 段页式管理4. 虚拟内存技术：探讨虚拟内存的基本概念、实现方法及其在操作系统中的应用。

- 虚拟内存原理- 请求分页/分段- 页面置换策略5. 存储器管理案例分析：分析典型操作系统中的存储器管理策略。

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。

第一章总则第一条为加强公司移动存储器设备的管理，确保公司数据安全，提高工作效率，特制定本制度。

第二条本制度适用于公司内部所有移动存储器设备，包括U盘、移动硬盘、光盘等。

第三条移动存储器设备管理应遵循“安全第一、预防为主、责任到人”的原则。

第二章设备采购与领用第四条移动存储器设备的采购应严格按照公司采购流程进行，确保设备质量符合要求。

第五条公司内部各部门需申请移动存储器设备时，应向信息管理部门提交书面申请，说明用途、数量及预算。

第六条信息管理部门对各部门申请进行审核，确认设备用途后，统一采购。

第七条采购到的移动存储器设备由信息管理部门进行登记、编号，并建立设备台账。

第八条部门领取移动存储器设备时，需填写《移动存储器设备领用单》，经部门负责人签字确认后，由信息管理部门发放。

第三章设备使用与管理第九条移动存储器设备的使用应遵循以下规定：（一）使用前，应确保设备无病毒、无恶意软件。

（二）不得将公司内部敏感信息存储在个人移动存储器设备上。

（三）不得将移动存储器设备带出公司使用。

（四）不得使用非公司提供的移动存储器设备进行工作。

第十条移动存储器设备的使用人员应妥善保管设备，防止丢失、损坏。

第十一条移动存储器设备的使用人员应定期清理设备中的文件，确保设备空间充足。

第十二条移动存储器设备出现故障时，应及时向信息管理部门报修。

第十三条信息管理部门对移动存储器设备的使用情况进行定期检查，确保设备正常运行。

第四章设备回收与处置第十四条移动存储器设备使用期满或因工作需要更换时，应向信息管理部门办理回收手续。

第十五条信息管理部门对回收的移动存储器设备进行登记、编号，并建立回收台账。

第十六条回收的移动存储器设备，需进行数据清除处理，确保数据安全。

第十七条数据清除处理完毕后，信息管理部门对设备进行分类处置，符合回收条件的设备可进行二次利用，不符合条件的设备按规定进行报废。

第五章奖惩与责任第十八条对遵守本制度，积极维护公司数据安全的个人和部门，给予表彰和奖励。

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。

图4-1 计算机系统存储器层次示意图2、各种存储器•寄存器、高速缓存Cache：容量很小、非常快速、昂贵、需要电源维持、CPU可直接访问；•内存RAM：容量在若干KB、MB、GB，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：一般设于主存中；•多种类型的磁盘：容量在数MB或数GB，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(主存管理)的目的1、尽可能地方便用户；提高主存储器的使用效率，使主存储器在速度、规模和成本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(字节)单元的编址。

●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(程序中的)逻辑地址转换为对应的物理地址----地址映射；例如指令LOAD L，2500 /*将2500号单元内的数据送入寄存器L*/ ----P123图4-3 作业装进内存时的情况地址映射分静态和动态两种方式。

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。

一、实验目的1. 理解存储器管理的概念和作用。

2. 掌握虚拟存储器的实现原理。

3. 熟悉存储器分配策略和页面置换算法。

4. 提高动手实践能力，加深对存储器管理知识的理解。

二、实验环境1. 操作系统：Linux2. 编程语言：C/C++3. 开发环境：GCC编译器三、实验内容1. 虚拟存储器实现原理（1）分页式存储管理：将内存划分为固定大小的页，进程的逻辑地址空间也划分为相应的页。

内存与外存之间通过页表进行映射，实现虚拟存储器。

（2）页表管理：包括页表建立、修改和删除等操作。

（3）页面置换算法：包括FIFO、LRU、LRU时钟等算法。

2. 存储器分配策略（1）固定分区分配：将内存划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。

（2）可变分区分配：根据进程需求动态分配内存，分为首次适应、最佳适应和最坏适应等策略。

（3）分页存储管理：将内存划分为固定大小的页，进程的逻辑地址空间也划分为相应的页，通过页表进行映射。

3. 页面置换算法（1）FIFO算法：根据进程进入内存的顺序进行页面置换，最早进入内存的页面将被淘汰。

（2）LRU算法：淘汰最近最少使用的页面。

（3）LRU时钟算法：结合LRU算法和FIFO算法的优点，通过一个时钟指针实现页面置换。

四、实验步骤1. 编写程序实现虚拟存储器的基本功能，包括分页式存储管理、页表管理、页面置换算法等。

2. 编写测试程序，模拟进程在虚拟存储器中的运行过程，观察不同页面置换算法的效果。

3. 分析实验结果，比较不同页面置换算法的性能差异。

五、实验结果与分析1. 实验结果通过模拟实验，验证了虚拟存储器的基本功能，包括分页式存储管理、页表管理、页面置换算法等。

实验结果显示，不同页面置换算法对系统性能的影响较大。

2. 实验分析（1）FIFO算法：实现简单，但可能导致频繁的页面置换，影响系统性能。

（2）LRU算法：性能较好，但实现复杂，需要额外的硬件支持。

（3）LRU时钟算法：结合LRU算法和FIFO算法的优点，在性能和实现复杂度之间取得平衡。

简述存储器管理的功能一、存储器管理的概述存储器是计算机中负责存储数据和指令的设备，它是计算机系统中最基本的组成部分之一。

而存储器管理则是指操作系统对计算机内存进行管理和控制的过程。

它可以有效地利用内存资源，使得计算机系统能够更加高效地运行。

二、存储器管理的功能1. 内存分配内存分配是指操作系统将可用的内存空间分配给需要使用内存的程序或进程。

通过内存分配，操作系统可以保证每个程序都有足够的内存空间来执行其任务，从而实现了多任务处理。

2. 内存保护内存保护是指操作系统通过硬件和软件手段来确保每个程序只能访问自己被授权访问的内存区域。

这样可以避免程序之间相互干扰或者互相破坏，同时也可以防止恶意程序对系统造成损害。

3. 内存回收内存回收是指操作系统在一个进程或者程序不再需要使用某个内存区域时，将该区域释放出来以供其他进程或者程序使用。

这样可以避免浪费计算机资源，并且提高了计算机整体性能。

4. 虚拟内存管理虚拟内存管理是指操作系统将硬盘空间作为虚拟内存，以扩展计算机的物理内存。

当物理内存不足时，操作系统会将一部分暂时不需要使用的数据和程序放到硬盘上，从而释放出物理内存供其他程序使用。

5. 内存共享内存共享是指多个进程或者程序可以共享同一块内存区域。

这样可以避免多个进程或者程序同时使用相同的数据时，造成重复占用内存空间的浪费，并且可以提高计算机整体性能。

6. 内存优化内存优化是指操作系统通过对内存进行调整和优化，以提高计算机整体性能。

例如，可以通过调整页面大小、页面置换算法等方式来减少页面交换次数和延迟时间，从而提高计算机的响应速度。

三、结论综上所述，存储器管理在计算机系统中起着非常重要的作用。

它可以有效地利用内存资源，保证每个程序都有足够的内存空间来执行其任务，并且通过各种手段来保护、回收、共享和优化内存资源，从而提高计算机整体性能。

第1篇一、实验目的1. 掌握存储器管理的基本原理和常用算法。

2. 熟悉存储器管理系统的设计方法。

3. 提高编程能力和问题解决能力。

二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 编程语言：C语言3. 编译器：Visual Studio三、实验原理存储器管理是操作系统的重要功能之一，其主要任务是对计算机的存储资源进行有效管理，以满足程序对存储空间的需求。

存储器管理包括内存分配、内存回收、内存保护等功能。

四、实验内容1. 设计存储器管理模拟系统，实现以下功能：（1）采用首次适应法进行内存分配；（2）实现内存回收功能；（3）实现内存查询功能；（4）提供命令菜单，方便用户进行操作。

2. 编写程序实现上述功能。

五、实验步骤1. 定义数据结构，用于存储内存块的属性，如起始地址、大小、状态等。

2. 设计内存分配算法，实现首次适应法。

具体步骤如下：（1）根据用户请求的大小，查找满足条件的内存块；（2）如果找到合适的内存块，则将其分配给用户，并将剩余的内存块合并；（3）如果没有找到合适的内存块，则提示用户内存不足。

3. 设计内存回收算法。

具体步骤如下：（1）根据用户请求，回收指定的内存块；（2）将回收的内存块标记为空闲状态，并尝试与相邻的空闲内存块合并。

4. 设计内存查询功能，允许用户查看当前内存的使用情况。

5. 设计命令菜单，使用户可以通过输入命令进行操作，如分配内存、回收内存、查询内存等。

6. 编译并运行程序，验证程序功能。

六、实验结果与分析1. 程序成功实现了存储器管理模拟系统的各项功能，包括内存分配、内存回收、内存查询等。

2. 通过实验，加深了对存储器管理基本原理和算法的理解，提高了编程能力。

3. 在实验过程中，遇到了以下问题：（1）内存块合并时，可能会出现内存块边界不正确的情况。

解决方法是，在合并内存块时，检查边界是否正确，并调整内存块属性。

（2）内存查询功能中，当内存块被分配后，查询结果显示为空闲。

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MA T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。

操作系统中存储器管理的主要功能存储器管理是操作系统中的核心组成部分之一，它主要负责管理计算机中的存储器资源，以便有效地分配和利用存储空间，并且为不同的程序和进程提供安全的访问。

在操作系统中，存储器管理的主要功能包括内存分配、内存保护、内存扩充、内存回收和换页操作。

内存分配内存分配是指操作系统根据进程的需要以及存储器的可用空间，为进程分配合适的内存空间。

在操作系统启动时，它会将系统的内存划分为多个连续的内存块，每个内存块可以用来存储一个进程或一部分进程。

内存分配可以通过两种方式进行：静态分配和动态分配。

静态分配是在程序编译或装载时进行的，操作系统会为每个进程分配固定大小的内存空间。

这种方式简单、高效，但是会导致内存的浪费和碎片化的问题。

动态分配则是在程序运行时进行的，操作系统根据进程的需要动态地分配内存空间，使得进程能够根据实际需求来使用存储空间。

内存保护内存保护是操作系统中存储器管理的重要功能之一，它主要通过权限控制来保护进程的内存空间。

每个进程被分配的内存空间应该是相互独立的，进程之间不能相互干扰或篡改彼此的数据。

操作系统通过给每个进程设置访问权限，限制进程对其他进程内存空间的访问，从而保护了每个进程的数据安全。

为了实现内存保护，操作系统使用地址映射、地址转换和访问控制等方法。

地址映射将逻辑地址转换为物理地址，以便进程能够正确访问内存。

地址转换是通过分页或分段的方式来实现的，将逻辑地址划分为不同的页或段，并映射到实际的物理地址上。

访问控制则是通过设置访问权限位来限制进程对内存空间的访问。

内存扩充随着计算机系统的发展，存储器的容量需求也越来越大。

内存扩充是操作系统中存储器管理的重要任务之一，它可以通过两种方式实现：覆盖和交换。

覆盖是指将进程的一部分数据从内存中移出，然后将新的数据加载到内存中。

这种方式适用于内存空间有限的情况下，可以有效地利用存储资源。

但是，由于数据的移动会导致额外的开销和延迟，因此需要谨慎使用。