操作系统 第四章

第四章 存储管理
1、实用系统中的存储管理 2、存储管理概述 3、存储器的连续分配方式 4、存储器的离散分配方式 5、虚拟存储器管理
一、实用系统中的存储管理
1、MS-DOS存储管理 2、Win98存储管理
0k
MS-DOS是一个单用户、单 任务的16位操作系统，它只能 40k 使用1MB的内存空间，这1MB的 内存空间中，低端连续的 640KB的区域称为基本内存， 基本内存又分为系统区和用户 区，系统区为操作系统专用， 用户区是用户程序所使用的区 640k 域，640KB的基本内存中除掉 系统区，用户区在600KB 左右， 这是一个连续的区域如图右所 1000k 示。
内存分配的主要任务是： （1）为每一个提出需求的用户分配内存空间。 （2）引入好的内存分配机制，提高存储器的利用率，减少存储 碎片。 （3）允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序或 数据的动态增加。 ２．内存保护 内存保护的任务是确保多道程 都在各自分得的存储区内操作运行 互不干扰。
３．地址映射 存储管理必须提供地址映射功能，用于把程序地址空 间中的逻辑地址转换为内存空间中对应的物理地址。地址 映射功能要在硬件支持下完成。 ４．内存扩充 内存扩充的主要任务是从逻辑上扩充内存容量，借助 虚拟技术为用户提供比主存物理空间大得多的地址空间， 使用户认为系统所拥有的内存空间远比实际的内存空间大 得多。
为了实现可变分 区的管理，必须 记录内存的分配 情况，主要有两 种数据结构： （1）空闲区表形 式：在空闲分区 说明表（图4．7 （ｂ）所示）中， 为每个尚未分配 的分区设置一个 表目，包括分区 的序号、大小、 起址和状态。
（2）空闲区链形式：为了实现对空闲分区的分配和链接，在每个 分区的起始部分，设置一些用于控制分区分配的信息（如分区的 大小和状态），并为每一个空闲分区设置一个链接指针来指向下 一个空闲分区，使所有的空闲分区形成一个链表。当一个已分配 区被释放时，有可能和与它相邻接的分区进行合并。为了寻找释 放区前、后的空闲区，以利于判别它们是否与释放区直接邻接， 可以把空闲区的单链表改为双向链表。如图4．7（ｃ）所示。
3．最佳适应算法
最佳分配算法要求空闲区按分区大小递增的次序排列。内存分 配时从空闲分区链（表）首开始顺序查找，直到找到第一个能 满足大小要求的空闲分区为止。 按此方式为作业分配内存时，总是从当前所有空闲区中找出一 个能够满足存储需求的、最小的空闲分区作为分配的对象。这 种方案的出发点是尽可能地不把大的空闲区分割成为小的分区， 以保证大作业的需要。该算法实现起来比较费时，麻烦。
4．最坏适应算法
实行这种分配算法时，总是从当前所有空闲区中找出一个能 够满足存储需求的、最大的空闲分区作为分配的对象。 为了减少查找时间，必须把空闲分区按从大到小递减的次序 排序。分配时，空闲分区链（表）的第一空闲区小于作业要求的 大小，则分配失败，否则从该空闲分区中划出所要求的大小分区 给作业，余下的空闲区仍按从大到小排列留在空闲分区链（表） 中。可以看出，这种方案的出发点是照顾中、小作业的需求。
内存区域中的一个分区被释放时，与它前后相邻接的分区可能会 有四种关系出现，如下图所示。在图中，我们做这样的约定：位 于一个分区上面的分区，称为它的“前邻接”分区，一个分区下 面的分区，称为它的“后邻接”分区。
空闲分区的合并
有时也被称为“存储紧凑”。何时进行合并，操作系统可以有 两种时机的选择方案：一是调度到某个作业时，当时系统中的 每一个空闲分区尺寸都比它所需要的存储量小，但空闲区的总 存储量却大于它的存储请求，于是就进行空闲存储分区的合并， 以便能够得到一个大的空闲分区，满足该作业的存储需要； 另一是只要有作业运行完毕归还它所占用的存储分区，系统就 进行空闲分区的合并。 比较这两种方案可以看出，前者要花费较多的精力去管理 空闲区，但空闲区合并的频率低，系统在合并上的开销少；后 者总是在系统里保持一个大的空闲分区，因此对空闲分区谈不 上更多的管理，但是空闲区合并的频率高，系统在这上面的开 销大。
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二、存储管理概述
1、基本概念 2、存储管理功能 3、地址重定位
物理地址：内部存储器由若干的存储单元组成，为了便于CPU访问， 每个存储单元都有一个编号，这个编号称为内存地址，内存地址就 是物理地址（也称绝对地址）。它的最小值为0，最大值取决于内存 的大小和地址寄存器所能表现的最大值。 物理空间：物理地址的集合称为物理空间，也称为存储空间。 逻辑地址：用户进行程序设计时是不可能预知程序将在内存中所占 位置，尤其在多道程序设计环境中，同一用户程序在不同时刻装入 内存都不可能在同一位置。因此用户程序采用以0为基址安排程序指 令和数据，程序指令和数据相应的地址称为逻辑地址，由于它是相 对于0的地址，也被称为相演变而来的。在为作业分配 内存空间时，不再每次从空闲分区链（表）首开始查找，而是从 上次找到的空闲分区的下一个空闲区开始查找，直到找到第一个 能满足其大小要求的空闲分区为止。然后，空闲区被分成两部分， 一部分分给作业，余下的部分保留在空闲分区链（表）中。 特点：是使内存中的空闲区分布得比较均匀，不致于使小的空闲 区集中于内存的一端，但这会导致缺乏大的空闲分区。
0K
操作系统
20K
操作系统 作业1（8K） 分区2（32K）
60K
分区1（8K） 分区2（32K） 分区3（120K）
28K
作业2（45K）
180K
分区4（332K）
512K
作业3（121K）
4．6（a）
4．6（b）
固定式分区实现技术简单，但是内存的利用率不高。存在以下缺点： （1）作业大小受到分区大小的限制。作业仍然需要一次性连续装入内 存，内存中空闲分区的总量即使大于作业的大小也可能无法分配。 （2）空间浪费。如果一个较小的作业占据一个较大的空间，该区域中 剩余的空间就被浪费。 （3）碎片问题。每个分区都存在一部分不能再利用的空间，这就是碎 片，碎片的存在必然使存储器的利用率下降。
当系统中有多个空闲的存储分 区能够满足作业提出的存储请求时， 究竟将谁分配出去，这属于分配算 法问题。在可变分区存储管理中， 常用的分区分配算法有：首次适应 算法、循环首次适应算法、最佳适 应算法和最坏适应算法。
1．首次适应算法
要求空闲分区按地址递增的次序排列。内存分配时从空闲分 区链（表）首开始顺序查找，直到找到第一个能满足其大小要求 的空闲分区为止。然后按作业大小从该分区中划出一块连续的内 存空间分给该作业，该分区余下的部分仍按地址递增次序保留在 空闲分区链（表）中。 特点：优先利用内存低地址部分的空闲分区从而保留了高地址的 大空闲区。 但由于低地址部分的不断划分，导致低地址端留下许多难以 利用的较小空闲分区，而每次查找又是从低端开始，这无疑增加 了查找时间。
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１．静态重定位 如果在程序运行之前，就为用户程序实行了地址重定位的工作， 那么称这种地址重定位为地址的“静态重定位”。 静态重定位的优点时容易实现且不需硬件支持。 缺点是：（1）程序经重定位后无法在内存中移动； （2）程序在内存中只能分配连续的区域。 （3）难以实现程序共享。
例：LOAD 1，550这 条指令是把相对地 址为550的存储单元 的内容2200装入1号 累加器，而这时内 容为2200的存储单 元的实际物理地址 为1550，所以LOAD1， 550这条指令中的直 接地址码要以所装 入内存区域的起址 为基础作相应的修 改，即改为LOAD 1， 1550。
采用这种技术，虽然 可以使多个作业共驻 内存，但是一个作业 的大小不可能正好等 于某个分区的大小， 所以每个被分配的分 区总有一部分被浪费， 我们把部分被浪费的 区域称为内零头（内 碎片）。有时这种分 配方式空间浪费相当 严重。
48K 80K 112K
64K 176K 80K
4. 5（b） 内存划分图
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三、存储器的连续分配方式
1、单一连续分配 2、固定式分区分配方式 3、可变式分区分配方式
单一连续分配主要采用静态分配方式， 即作业一旦进入内存，就要等到它执 行结束后才能释放所占内存，因此这 种方式不支持虚拟存储器的实现。 单一连续分配方式的特点是： 管理简单，需要硬件和软件的支持少， 但由于内存中只装入一道作业而使得 资源的利用率不高。
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固定式分区是在作业装入前，内存空间就被划分成若干 个大小不等的连续区域，每个区域可以存放一个作业， 存放于不同区域的作业可以并行。 划分工作可以由系统管理员或操作系统实现 。一旦划 分完成，在系统运行区间，分区的个数不可变，分区的 大小不可变，因此也把固定式分区称为静态分区。
0K 40K
操作系统 40K 8K 32K 32K
例：有内存分区示意如 0K 图4．6（a）所示，大 小分别为8KB、45KB、 20K 121KB的多个作业装如 内存后，内存分配情况 28K 如图4．6（b）所示。 从图4．6（b）中可以 60K 看出作业2所占据的分 区3中就有75K的不可用 空间（即碎片），作业 180K 3所占据的分区4中有 211K的浪费，未分配的 分区2有32K的可用空间， 如果此时有一个大小为 512K 35K的作业申请内存， 却被拒绝，因为可用分 区只有32K。
48KB
可变分区存储管理中的“可变”也有两层含义， 一是分区的数目随进入作业的多少可变，一是分 区的边界划分随作业的需求可变。可见，可变式 分区中分区的大小和个数都是可变的，而且是根 据作业的个数和作业的大小而动态的发生变化的， 因此也把可变式分区称为动态式分区。
可变式分区的分配和释放的基本思想 分配时首先找到一个足够大的分区，即这 个空闲区的大小比作业要求的要大，系统 则将这个空闲区分成两部分：一部分作为 已分配的分区，剩余的部分任作为空闲区， 在回收撤除作业所占用的分区时，要检查 回收的分区是否与前后空闲的分区相邻接， 若是，则加以合并，使之成为一个连续的 大空间。
操作系统
用户区
扩展内存 返回
当实际内存不够用时，Windows 98就会用硬盘来充当内存， 称为虚拟内存。虚拟内存是由硬盘空间模拟而来的，你可 以在Windows文件夹中发现一个Win386.swp文件，这个文 件称为交换文件，它就是虚拟的内存的空间，原来，多个 用户程序并不是每一个都全部装入内存，而只装入能保证 程序能正常启动运行的一部分，运行过程需要用到时再装 入内存，如果内存空间不够时，先把内存中某些不用（或 暂时不用）的部分调出内存，以腾出空间。这就是 Windows 98的虚拟存储管理技术 。