第三讲 作业管理和存储管理

内存、外存各自的特点 内外存的结合——虚拟存储器 基本思想——把当前正在使用的部分 保留在内存中，其他暂时不用的部分 放在外存，运行时根据需要由操作系 统把保存在外存的部分调入内存 虚存 —— 逻辑上的概念；容量只与 CPU的地址结构有关 以时间换取空间

3 存储管理
3.1
存储管理的功能 3.2 分区存储管理 3.3 虚拟存储器管理
3.2 分区存储管理
分区存储管理是实现多道程序的内存 储器管理最简单的存储管理方案。 基本思想是： – 把内存划分为若干个大小不等的连 续区域 – 每个作业可占有一个或多个分区 – 按照不同的内存分配方式，又分为：

固定分区 可变分区
固定分区(Fixed Partitions)
固定分区法是将内存区划分为若干个 大小相等或不等的区域。 分区划分的原则一般由系统操作员或 操作系统确定。 系统设置一张内存分配表（见图 2.24 ），记录每个分区的区号、起始 地址、大小及占用情况。 当作业申请内存资源时，系统为该作 业选择一个或多个大小适当的分区， 并将其装入内存运行。
3.3.1 分页存储管理

页式存储管理通常是由页表实现逻辑地址到物 理地址的转换，其基本思想是：
– 将每个进程的虚拟地址空间按固定大小分成若干个 相等的页面，并用0、 1、 2、 · · · 序号表示，叫做虚 页面。 – 把内存空间也按同样大小分为若干个相等的页面， 也用0、1、2、· · · 序号表示，叫做实页面。 – 在对进程进行存储分配时，将进程的虚页面映射到 内存的实页面上，这些实页面可以是不连续的。 – 用户程序的虚页数可以大大超过内存的总页数，正 在使用的虚页面在内存中，暂时不用的页则放在磁 盘中。

作业控制块
– 一个作业由作业控制块JCB（Job Control Block） 来描述 – JCB 是记录类型的数据结构，用于记录作业的有 关信息，包括：作业名、优先级、作业建立时间、 作业状态等

JCB和作业之间具有一一对应的关系
作业状态及其转换

作业状态
– 进入状态 – 后备状态 – 运行状态 – 完成状态


当作业申请分配大小为 X(K) 的存储空间时， 系统在未分配分区表中查看内存是否有足够 的空闲区域。 若空闲区比需要的大，则将其分为两部分， 并修改两个分配表的信息。
– 一部分等于作业所需空间大小 – 一部分则为空闲区




当回收一个被作业释放的分区时，要将其与 邻接的空闲区合并为一个大的空闲区（见图 2.25）。 优点：提高了存储空间的利用率。 缺点：也会产生一些不能利用的小空闲区 (外零头)。 解决办法：拼接、紧缩
地址映射
静态重定位是在程序运行之前由编译、 连接、装配程序一次完成。地址映射 方法是将程序中的所有逻辑地址，包 括指令本身地址和操作数的地址逐个 变换成物理地址。 一般地，静态重定位由连接装配程序 完成；动态重定位由硬件提供的地址 映射机构再加上软件的配合来实现。

内存空间的扩充——虚拟存储

固定分区(Fixed Partitions)

固定分配的内存划分和占用情况及对 应的内存分配表如图所示：
0
操作系统 进程A 1区空闲区 进程B
2区 1区
区号 1
分区长度 8K
起始地址 20K
状态 已分配
20K
28K
2 3
32K 132K
28K 124K
已分配 未分配
60K
2区空闲区
内存分配表
内存状态

分页式管理技术通过地址转换机制，能明显消 除内、外存之间的差别，将外存看作内存的扩 充和延伸，并能很好解决“外零头”的问题。
分页存储管理的具体内容


页面地址转换 缺页中断处理 页面淘汰算法
(1) 页面地址转换
以页为单位分配存储块。 要实现作业的逻辑地址转换为实际 内存地址，需建立以下数据结构：
1.
2.
3.
4.
5.
6.
处理机管理 作业管理 存储管理 设备管理 文件管理 习题
3 存储管理
3.1
存储管理的功能 3.2 分区存储管理 3.3 虚拟存储器管理
3.1 存储管理的功能
存储管理的目的是尽可能方便用户 和提高主存储器的效率。 存储管理有以下几方面的功能：

– 内存分配和回收 – 内存空间的共享 – 存储保护 – 地址映射 – 内存空间的扩充（虚拟存储）

1表示该页面在内存
– 块号 —— 表示该页面 所对应的存储块
标 志 0 1 1 1 2 0 3 1 · · · · · · m 1
块 号 2 1 8 · · · 17
作业状态及其转换过程
作业和进程

作业和进程的区别和联系
– 进程是计算机系统的基本工作单位，而作 业则是用户请求系统服务的最大单位。 – 与进程一样，作业也有从提交到完成的生 命期。 – 作业管理就是对其生命历程进行宏观控制， 具体任务是对作业的控制和调度；进程管 理是通过原语实现，对用户是不透明的。

最坏适应算法WF (Worst Fit)
– 每次分配时按空间大小从大到小顺序查找空闲 区分配表，每次分配时总是挑选一个最大的空 闲区进行分配，这样该区的剩余空间可能用来 装入新的信息。
3 存储管理
3.1
存储管理的功能 3.2 分区存储管理 3.3 虚拟存储器管理
3.3 虚拟存储器管理

作业调度算法

三个基本目标：尽量提高系统作业的 吞吐量；尽量使 CPU 和外设处于“忙” 状态；对所有作业的服务公平合理。 作业调度算法
– 先来先服务算法(FCFS) – 最高优先级算法(HPS) – 最短作业优先算法(SF) – 最高响应时间算法(HRN) – 资源搭配法
第二部分 操作系统
第二部分 操作系统
1.
2.
3.
4.
5.
6.
处理机管理 作业管理 存储管理 设备管理 文件管理 习题
作业的概念

作业的概念
– 一个作业就是用户请求计算机系统执行的一次独 立的上机任务，是能共享公用资源区域的一族有 关进程（进程家族） – 作业步：完成作业的每个步骤，进程执行的结果 – 作业流：批处理系统中的一批作业
固定分区(Fixed Partitions)
优点：
–分区方法简单、可靠。
缺点：
–由于固定分区的大小是预先确定 的，当用户作业的地址空间小于 分区大小时，会产生许多不可使 用的存储碎片，即“内零头”， 造成存储区间的浪费。
为了克服固定分区造成的存储空间的浪 费，引入了可变分区存储管理方式。 在存储分配的过程中按作业的大小来划 分分区，使分区大小可以随作业对内存 的要求而改变。 分区的个数也可改变。 这就改变了固定分区中那种即使是小作 业也可能占据大分区的情况，从而提高 了内存的利用率。
地址映射
地址映射
– 在多道程序系统中程序装入内存前通 常为逻辑地址，为保证程序的执行， 操作系统需要为它分配一个合适的存 储空间，并将程序执行时要访问的地 址空间中的逻辑地址转换成内存空间 中相应的物理地址。 – 这种地址的变换过程称为地址映射或 重定位。
地址映射
重定位可以分为两种：
– 静态重定位 —— 也称静态地址映射，是 在用户程序运行前，在程序装入内存的 过程中一次完成从逻辑地址到物理地址 的转换，且在程序运行过程中地址不再 改变。 – 动态重定位 —— 也称动态地址映射，动 态重定位的时间发生在程序执行过程中， 在访问指令或数据时，才进行地址变换， 把逻辑地址转换为物理地址。见图2.23

部分装入
– 大型作业运行时，不是将它的全部信息 装入内存，而是将其一部分先装入内存， 另一部分暂时存放在外存（磁盘）上， 在作业运行过程中交换
– 当内存已占满而又需将外存上的信息装 入时，则按照一定的策略进行内外存的 交换。
虚拟存储器管理的具体实现
3.3.1
分页存储管理 3.3.2 分段存储管理 3.3.3 段页式存储管理
作业管理方式
联机控制方式 —— 分时系统一般
采用
– 命令驱动方式 – 菜单驱动方式 – 窗口环境
脱机控制方式 —— 批处理系统一
般采用
– JCL
作业调度
作业从提交到执行需经过多级调度， 进程调度是 CPU 的低级调度，作业调 度是高级调度（宏调度），关键是调 度算法。 作业调度功能：按照某种调度算法， 从作业后备队伍中挑选一批合理搭配 的任务，实现作业从后备状态到运行 状态，同时分配相关系统资源，建立 相关进程。作业结束，回收资源。

当作业或进程因完成或阻塞而主动或被 动地释放内存资源时，存储管理应执行 一系列操作回收所释放的内存空间，使 它们成为有可供分配的空闲区域。
内存空间的共享

共享主存资源
– 多道程序系统中，若干个程序同时进入 内存，各自占有一定数量的存储空间， 实现多道程序的并发执行。

共享内存的某些区域的信息
– 将若干公用的子程序、编译程序及数据 等放在某个内存区域中，各道程序在执 行时都可以访问。
内存分配和回收 内存空间分配是多道程序共 享的基础，当作业或进程要求使 用内存资源时，系统根据内存资 源的当前状态，按照分配策略， 为申请者分配足够的空闲区域， 若无法满足申请者的要求，则让 其处于等待内存资源的状态，直 到有足够的内存空间时再分配给 它。
内存分配和回收
内存分配的功能涉及到以下问题： – 管理内存分配表（分配情况、空闲情况、 其他） – 制定分配策略：放置策略（选择空闲区域 的原则）、调入策略（请调和预调）、淘 汰策略） – 内存区域的划分方式（大小不等和大小相 等的块）