第5章 Linux存储器管理
106250-操作系统(第5版)-3-《操作系统教程》(5版)教学计划说明全
可编辑修改精选全文完整版<<操作系统教程>>(第5版)教学计划说明各学校和学院在教学计划、教学要求、课程设置、学时安排、教学大纲，乃至学生程度等方面存在种种差异，采用本教材授课时，应酌情对内容进行取舍。
课时充分时，可考虑讲授全部内容，否则，突出基本内容，简化实例，重点讲述原理。
(1)共安排54学时(每周3学时×(18)周)讲课，期中和期末测验另行安排时间。
(2)许多院校每学期讲课时间少于18周或有更多学时，则有些章节可以适当减少或增加学时，有些内容可精简不讲或略讲。
同时可以安排课堂讨论，采用分组研讨，课堂汇报，集体评论的形式。
“讨论题”可在电子资料中找到。
(3)采用ppt配合讲课，每次讲授的信息量较大，讲课速度可以提高，ppt讲稿可供学生下载，便于课后复习。
(4)第8章可略去部分或全部，以压缩课时，或者作为一次学术讲座。
(5)操作系统是一门实践性、应用性很强的课程，如果仅仅学习理论知识是很难达到理想教学效果的，必须配合上机实验，既可以单独开课，也可作为课程的一部份。
南京大学在原理教学部分--设计了“模拟类实验”配合原理教学同步进行，可参考本书网站。
实验教学部分—包含了“内核类和应用类实验”，请参考由高教育出版社出版的配套教材<<Linux操作系统实验教程>>。
(6)考试范围重点放在基本概念、基本原理和基本技术方面，实例及涉及具体操作系统细节的内容可以不作为考试范围和要求的重点。
(7)学生成绩考核采取综合评定方式，由以下部分组成：作业10-15%、上机实习20%、课程测验10-15%、期终考试60-50%。
各校可根据具体情况调整比例(实验课也可单独开设，另计学分)。
(8)由于习题较多，思考题由学生自行选做，作业仅布置应用题，每学期拟做50题左右。
注意“应用题参考答案”及“考研真题和参考答案”仅供给选择本教材院校的老师参考，不直接提供给学生使用，每学期均有多所院校学生来函索求答案，我们都会婉言拒绝。
参考答案 操作系统教程 (陈向群 杨芙清 著) 北京大学出版社 课后答案
我们发展操作系统的目标就是：充分利用硬件，提供更好的服务。 13.请作一个调查，看看各种计算机的应用领域都在使用什么样的操作系统，他们分别是 什么类型的操作系统，调查的内容应该涵概现代操作系统的主要类别. 14.现有一下应用计算机的场合，请为其选择适当的操作系统。1）航天航空，核变研究； 2）国家统计局数据处理中心；3）学校学生上机学习编程 4）高炉炉温控制；5）民航定 票系统，6）发送电子邮件（在两个地区之间） 答：1)航天航空，核变研究：嵌入式操作系统
第三章 用户接口与作业管理 1.阐述程序，作业，作业步和进程之间的联系和区别。 答：
(1）作业 用户在一次计算过程中，或者一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称 （2）作业步 一个作业可划分成若干部分，称为一个作业步 典型的作业控制过程： “编译”、“连接装配”、“运行” 2.一个具有分时兼批处理功能的操作系统应该怎样调度和管理作业？为什么？ 品
计算机系统由硬件子系统和软件子系统组成。 计算机系统的构成包括：如图 1.2 计算机硬件系统的构成：如图 1.4 2.从功能以及程序涉设计的角度说明计算机系统中软件系统是如何构成的？ 答：分为系统软件，支撑软件和应用软件三层。 3.什么是操作系统？请举例说明操作系统在计算机系统中的重要地位。 答：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合。 它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源，合理的组织计算机的工 作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效的 使用计算机，使整个计算机系统能安全高效地运行 4.请举一个实际的例子来说明操作系统的功能。 答：你能用用操作系统管理很多资源 5.为什么说“操作系统是控制硬件的软件”的说法不确切？ 答：操作系统不仅能够控制硬件，也可以控制各种软件资源。 6.操作系统的基本特征是什么？说明他们之间的关系。 答：1.并发性 2.共享性
操作系统原理第5章 存储管理
• ⑶最佳适应算法
• 最佳适应算法的空闲链是按空闲区从小到大顺序排 列。为进程选择分区时总是寻找其大小最接近进程 所要求的存储区域。所谓“最佳”是指每次为进程 分配内存时，总是把能满足要求、又是最小的空闲 分区分配给进程，避免“大材小用”。
• 因为每次分配后所切割下来的剩余部分总是最小的， 这样将加速碎片的形成。
• ①如果被回收空闲分区没有空闲伙伴分区，那么保留该分区为一 个独立的空闲分区，否则执行②；
• ②合并回收分区及其伙伴分区，从而得到一个尺寸（2I+1）更大的 回收空闲分区，转移到①；
一个伙伴系统内存分配与回收的例子
• 伙伴系统克服了固定分区和动态分区存储管理技术的缺陷。但是伙伴 系统存在一个问题，即内存空间需要不断地进行分裂和合并，频繁的 伙伴分区合并操作会浪费很多时间。
• ③内存分配原则，以页帧为单位来分配内存，将进程若干个逻辑上连续的 页面装入若干个离散的页帧中，由页表提供进程的页号到存储空间帧号的 映射。
5.2.4伙伴系统
• 其实现原理如下： • 一个伙伴系统内存的用户可用空间为2U。进程申请存储空间时，
系统总是为其分配大小为2I的一个空闲分区。其中S≤I≤U，2S是系 统允许的最小分区尺寸。在实际操作系统中，最小分区尺寸一般 为212。 • 如果进程申请的存储空间大小为K，且2I-1<K≤2I，则将整个2I大小的 分区分配给该进程；否则，该分区被分割成两个大小相等的伙伴 分区，大小为2I-1；再判断K是否满足条件：2I-2<K≤2I-1，若满足条件， 则将两个伙伴中的任何一个分配给该进程。否则，将其中一个伙 伴又分成两个大小相等的伙伴分区；此过程一直继续进行，直到 产生的分区满足条件I-J≥S并2I-J-1<K≤2I-J，将2I-J大小的分区分配给该 进程；当I-J-1<S时，系统不再分割成两个大小相等的伙伴分区，将 2S大小的分区分配给该进程。 • 当进程执行完毕，释放一个尺寸为2I的分区时，系统用下面的算法 回收该分区。
Linux课程介绍-第五章(1)
2．进程系统堆栈 每个进程都有一个系统堆栈，用来保存中断现场信息和进 程进入内核模式后执行子程序（函数）嵌套调用的返回现 场信息。 每个进程的系统堆栈和task_struct数据结构之间存在 紧密联系，因而二者物理存储空间也连在一起 系统堆栈的大小静态确定，用户堆栈可在运行时动态扩展
5.2.3 对进程的操作 1．进程的创建 各个进程构成了树形的进程族系 内核在引导并完成了基本的初始化以后，就有 了系统的第一个进程（即初始化进程，实际上 是内核线程）。除此之外，所有其他的进程和 内核线程都由这个原始进程或其子孙进程所创 建。 除初始化进程外，其他进程都是用系统调用 fork( )和clone( )创建的。 fork( )是全部复制 ，而clone( ) 有选择地 复制
●进程控制系统用于进程管理、进程同步、进程通 信、进程调度和内存管理等。 ●内存管理控制内存分配与回收。
●文件系统管理文件、分配文件空间、管理空闲空 间、控制对文件的访问并为用户检索数据。 ●Linux系统支持三种类型的硬件设备：字符设备、 块设备和网络设备。 ●核心底层的硬件控制负责处理中断以及与机器通 信。
• 内核所在的地址空间称作内核空间 • 其他应用程序称为外部管理程序，大部分是对外围设 备进行管理和界面操作，外部管理程序和用户进程所 占据的地址空间成为外部空间
Linux内核概述
Unix内核用C语言写成 单一内核：所有的操作系统功能均被封装 在内核中，与外部程序处于不同的地址空 间。外部程序智能通过功能调用来访问内 核 微内核：内核只提供最基本、最核心的一 部分操作，如创建和删除任务、中断管理、 进程管理、存储器管理、进程间通信等， 而其他功能如文件系统、网络协议栈则在 内核外操作。
3．进程的终止
操作系统课程设计
操作系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解操作系统的基本概念、功能、类型和结构，掌握操作系统的五大核心功能模块（处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口）；2. 掌握操作系统的发展历程、主要操作系统（如Windows、Linux、Mac OS）的特点及应用场景；3. 了解操作系统的设计与实现原理，包括进程管理、内存管理、设备管理、文件系统等关键技术；4. 学会使用操作系统提供的命令行或图形界面进行基本的系统操作与维护。
技能目标：1. 培养学生对操作系统的实际操作能力，能够熟练使用至少一种操作系统进行日常管理与维护；2. 培养学生运用操作系统原理解决实际问题的能力，如分析系统性能、诊断故障、优化配置等；3. 提高学生的编程能力，使其能够编写简单的系统程序或脚本，实现特定功能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统的兴趣，激发学生学习计算机科学的热情；2. 培养学生的团队合作意识，使其在讨论、分析、解决问题的过程中学会倾听、交流、协作；3. 培养学生具备良好的信息素养，关注操作系统领域的最新发展，增强信息安全意识。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业（或相关领域）的必修课，具有较强的理论性和实践性。
学生特点：学生已具备一定的计算机基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但可能对操作系统原理的理解和应用尚有不足。
教学要求：注重理论与实践相结合，以案例驱动、任务导向的方式进行教学，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过本课程的学习，使学生能够掌握操作系统的基本原理，提高实际应用水平，为后续专业课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 操作系统概述：介绍操作系统的基本概念、功能、类型，比较不同操作系统的特点，分析操作系统的发展趋势。
教材章节：第一章 操作系统概述2. 进程与线程管理：讲解进程与线程的概念、状态与转换，进程调度算法，同步与互斥，死锁与饥饿问题。
教材章节：第二章 进程管理3. 存储管理：介绍内存分配与回收策略，虚拟内存技术，页面置换算法，内存保护机制。
嵌入式系统习题查根龙
嵌入式系统温习第一章嵌入式系统基础一、嵌入式系统的概念？二、嵌入式系统的组成？3、嵌入式系统的特点？4、嵌入式系统的应用？五、嵌入式处置器的分类，常见的嵌入式处置器有哪些？六、什么是嵌入式操作系统？嵌入式操作系统有哪些类型？7、什么是实时操作系统？实时操作系统的组成和特点。
它有哪些特征？八、常见的嵌入式操作系统有哪些？九、实时操作系统常常利用的任务调试算法有哪几种？10、用什么方式解决优先级反转问题？1一、单片机是不是嵌入式系统？它与ARM嵌入式系统有何异同？1二、嵌入式系统与通用运算机之间的区别。
第二章嵌入式系统开发流程一、嵌入式系统开发进程分为哪几个阶段？每一个阶段的特点是什么？二、嵌入式软件开发流程。
3、嵌入式系统有哪几种调试方式？此刻最流行的是哪一种？利用什么接口？4、什么是板级支持包？它一般应完成哪些工作？第三章ARM的体系结构一、ARM的英文命名是什么？AMR处置器有人材特点？二、运算机中的两种典型体系结构是什么，各自的特点是什么？3、试比较RISC体系结构和CISC体系结构的特点。
4、ARM支持哪些数据类型？五、ARM处置器支持的数据类型有哪些？六、画出别离采用小端格式和大端格式寄存0x的存储器示用意。
设存储器的初始地址为0x4000。
7、在ARM处置器的存储空间中，有一段存储空间中存储的数据如下所示：①假设，存储空间中的数据是以大端存储的，那么地址0x8000中存储的一个字是什么？地址0x8000中存储的一个半字是什么？地址0x8003中存储的一个字节是什么？②若是，存储空间中的数据是小端存储的，上述问题的答案别离是什么？八、在ARM处置器的存储空间中，有一段存储空间中存储的数据如下所示：假设，存储空间中的数据是以小端存储的，R0中的值为0x8000。
回答以下问题：①执行完LDR R1，[R0]后，R1的值是多少？②执行完LDR R1，[R0]，#4后，R1的值是多少？③执行完LDR R1，[R0，#2]后，R1的值是多少？④执行完LDMIA R0，｛R1-R4｝后，R0中的值如何转变？⑤执行完LDR R0，[R1，R2，LSL #3]后，R1的值如何转变？九、ARM处置器一共有几种中工作模式，别离是？那种模式下，专业寄放器最多。
LINUX虚拟存储浅析
内偏移 ｊ ｆ ｅ。物理地址 ｉＰ ＥＰ （Ｇ （ｐ ｄ）ｊ ｍ ）ｊ ｔ ＋． ｓｔ ．ｓ ｏ ｔ ＝ Ｔ （ＭＤ Ｐ Ｄｊ ｇ ） ． ｄ＋．ｅ ｊ ｆｅ。 ． ＋ｐ ｐ） ｏ ｉ８ ３６的情 况 是特 殊 的 ， 由于 ｉ８ ３ ６系列 的历 史 演变 过 程 ， 它对 页 式存 储 管 理 的支 持 ， 在其 段 式存 储 管 是
映射、 公平 的物理 内存 分配等．文章介绍 了虚拟存储相 关机制的部分知识 ．
关键词 ： 虚拟地 址； 虚拟存储 ： 页； 请 交换 ； 共享 内存
中图分类号： Ｐ １ Ｔ ３６
文献标识码： Ａ
文章鳊号 ：６ １９９ （ ０ ６ ０ －０ ７ ３ １７ －８ １ ２０ ） ２０ ５ － ０
换空 间 中 ， 程 准 备执 行 这 些信 息 。为 了取得 第 一条 指 令 ， 程 需要 引 用包 含 该 程 序 的入 口地 址 的虚 拟 地 进 进 址空 间 部分 。如 果 进程 引用 的页还 没 有装 入 主存 ， 么会 产 生一 个缺 页 中断 ， 储 管理 程 序 将 该 页 从辅 存 那 存
理 已经 存 在 了相 当长 的 时 间 以后才 发展 起 来 的 ，ｉ８Ｃ Ｕ 中 的 内存 管 理 单元 （ ３６ Ｐ ＭＭＵ） 定 的对程 序 中使 规 用 的地 址 先 进 行 段 式 映射 ， 然后 才 能进 行 页 式 映 射 ， 际上 ＬＮ Ｘ 内核 所 采 取 的方 法 是 使段 式 映射 的过 实 ＩＵ 程 不起 什 么 作用 。对 于其 它 的处 理 器 ， Ｍ６Ｋ、ｏ ｅ Ｃ等 ， 根本 不 存 在段 式 映 射这 一层 。与 段式 存 储 如 ８ Ｐｗｒ Ｐ 就 管理 相 比， 式 存储 管 理有 很 多好 处 。 先 ， 面都 是 固 定大 小 的 ， 于 管理 。 重 要 的是 ， 页 首 页 便 更 当要 将 一部 分物 理 空 间 的 内容 换 出到 磁 盘 上 时 ， 段 式 存 储 管 理 中 要将 整 个 段 （ 常 都 很 大 ） 换 出， 在 页 式 存 储 管 理 在 通 都 而 中则 按 页进 行 ， 率 显然 要 高得 多 ｕ 效 】 。
linux下寄存器详解
ebp和esp是32位的SP，BPesp是堆栈指针ebp是基址指针ESP与SP的关系就象AX与AL，AH的关系.32位CPU所含有的寄存器有：4个数据寄存器(EAX、EBX、ECX和EDX)2个变址和指针寄存器(ESI和EDI) 2个指针寄存器(ESP和EBP)6个段寄存器(ES、CS、SS、DS、FS和GS)1个指令指针寄存器(EIP) 1个标志寄存器(EFlags)1、数据寄存器数据寄存器主要用来保存操作数和运算结果等信息，从而节省读取操作数所需占用总线和访问存储器的时间。
32位CPU有4个32位的通用寄存器EAX、EBX、ECX和EDX。
对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。
这些低16位寄存器分别命名为：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。
4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每个寄存器都有自己的名称，可独立存取。
程序员可利用数据寄存器的这种“可分可合”的特性，灵活地处理字/字节的信息。
寄存器AX和AL通常称为累加器(Accumulator)，用累加器进行的操作可能需要更少时间。
累加器可用于乘、除、输入/输出等操作，它们的使用频率很高；寄存器BX称为基地址寄存器(Base Register)。
它可作为存储器指针来使用；寄存器CX称为计数寄存器(Count Register)。
在循环和字符串操作时，要用它来控制循环次数；在位操作中，当移多位时，要用CL来指明移位的位数；寄存器DX称为数据寄存器(Data Register)。
在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也可用于存放I/O的端口地址。
在16位CPU中，AX、BX、CX和DX不能作为基址和变址寄存器来存放存储单元的地址，但在32位CPU中，其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不仅可传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果，而且也可作为指针寄存器，所以，这些32位寄存器更具有通用性。
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第五章 Linux存储器管理
5. 4内存交换（续）
使用下列3种方法减少系统中正在使用的物理页面。
(1)减少缓冲区和页面cache的大小。
(2)换出SYSTEMV的共享内存页。
(3)换出或丢弃内存页面。
第五章 Linux存储器管理
5. 5 内存共享和保护
Linux中内存共享是以页共享的方式实现的，共
资源为多进程提供有效共享。Linux 操作系统使用交 换和请求分页存储管理技术实现虚拟内存管理。 这种策略使进程的虚拟地址空间映射到机器的物 理空间时具有更大的灵活性，通常允许进程的大小可 大于可用内存的总量，允许更多进程同时在内存中执 行。
第五章 Linux存储器管理
5.1 linux的虚拟内存管理
第五章 Linux存储器管理
5. 3 内存页的分配与释放
当一个进程开始运行时，系统要为其分配一些内
存页；当进程结束运行时，要释放其所占用的内存页。 一般地，Linux系统采用位图和链表两种方法来管理内 存页。 位图可以记录内存单元的使用情况。它用一个二 进制位(bit) 记录一个内存页的使用情况：如果该内存 页是空闲的，则对应位是 1 ；如果该内存页已经分配 出去，则对应位是0。
第五章 Linux存现内存不足时，Linux 内存管理子系统就
要释放一些内存页，从而增加系统中空闲内存页的数 量。
在系统启动时，这一守护进程由内核的 INIT 进程 启动，按核心交换时钟开始或终止工作。每到一个时 钟周期结束，kswapd便查看系统中的空页内存块数， 通过变量free_pages_high和free_pages_low来决定是否 需要释放一些页面。
参数： -V表示打印出版本信息； -n表示在周期性循环输出时，输出的头部信息仅显 示一次； delay是两次输出之间的延迟时间；
第五章 Linux存储器管理
4.虚拟内存管理 虚拟内存是指使用磁盘当作物理内存的扩展，这样可
用的内存的大小就相应增大了。内核会将暂时不用 的内存块的内容写到磁盘上，然后就可以把这块内 存用于其它目的。 Linux能够使用文件系统中的一个常规文件或一个独 立的分区作为交换空间。
第五章 Linux存储器管理
一个已初始化的交换空间必须使用命令 swapon 命令告诉内核这个交换空间可以被使用了。命令如
下：
#swapon /SwapFile 如果把相关信息写入 /etc/fstab 就能启动系统后自 动使用交换空间了。 #swapon -a
这个命令会把所有列在 fstab中的交换空间启动起 来。而
Linux 使用最少使用频率替换策略，页替换 算法在clock算法基础上作了改进，使用位被一个8 位的age变量所取代。
第五章 Linux存储器管理
5. 7 监控内存软件
内存是Linux内核所管理的最重要的资源之一。
监控内存软件分别有：free、Vmstat以及图形化 工具系统监视器，下面对其进行介绍。
Linux 的虚拟内存管理功能：
(1)地址空间扩充。
(2)进程保护。
(3)内存映射。
(4)物理内存分配。
第五章 Linux存储器管理
5.2 Linux 系统采用三级页表
所有进程从3～4GB的虚拟内存地址都是一样的，
有相同的页目录项和页表，对应到同样的物理内存段， Linux 以此方式让内核态进程共享代码段和数据段。 Linux采用请求页式技术管理虚拟内存。
(4) io块设备
(5)system系统
（6）cpu中央处理器
第五章 Linux存储器管理
3．Memprof
系统监视器中有内存和交换的情况，如图 5.4 所示。
第五章 Linux存储器管理
Vmstat vmstat是Virtual Meomory Statistics（虚拟内存统计）
语法：vmstat [-V] [-n] [delay [count]]
第五章 Linux存储器管理
2.Vmstat vmstat是Virtual Meomory Statistics（虚拟内存统计）
语法：vmstat [-V] [-n] [delay [count]]
参数： -V表示打印出版本信息； -n表示在周期性循环输出时，输出的头部信息仅显 示一次； delay是两次输出之间的延迟时间；
#swapoff 这个命令则会把swapon -a启动的交换空间移走。
享该页的各个进程的页表项直接指向共享页，这 种共享不需建立共享页表，节省内存空间，但效 率较低。 Linux 可以对虚存段中的任一部分加锁或保护。 对进程的虚拟地址空间实施保护操作，就是重新 设置vma段的访问权限，实质就是对vma段的 vm_flags 重置 PROT_READ 、 PROT_WRITE 和 PROT_EXEC参数，并重新设定vm_page_prot属性。
第五章 Linux存储器管理
第五章 Linux存储器管理
5.1 Linux的虚拟内存管理 5.2 Linux 系统采用三级页表 5.3 内存页的分配与释放 5.4 内存交换
5.5 内存共享和保护
5.6 缺页中断
5.7 监控内存软件
第五章 Linux存储器管理
5.1 Linux存储器管理
Linux 操作系统采用虚拟内存管理机制管理存储
第五章 Linux存储器管理
一个交换文件是一个普通的文件，它的要求是 它不能有空洞，并且它是用mkswap来准备。 创建交换文件：
#dd if=/dev/zero of=/SwapFile bs=1024 count=2048
mkswap给交换空间初始化信息：
#mkswap /SwapFile 2048
第五章 Linux存储器管理
1.free 语法： free [-bkmotV] [-s ] 参数： -b 以Byte为单位显示内存使用情况； -k 以KB为单位显示内存使用情况； -m 以MB为单位显示内存使用情况； -o 不显示缓冲区调节列； -s 持续观察内存使用状况； -t 显示内存总和列； -V 显示版本信息。
第五章 Linux存储器管理
5.2 Linux 系统采用三级页表
Linux页表分为3级结构： 页目录(Page Directory，PGD)
中间页目录(Page Middle Directory，PMD)
页表(Page Table，PT)。
PGD表项下标 PMD表项下标 PT下标 页内偏移量
PGD基地址 物理地址
第五章 Linux存储器管理
5. 6缺页中断
磁盘中的可执行文件映像一旦被映射到一个进 程的虚拟空间，它就开始执行。 当一个进程访问了一个还没有有效页表项的 虚拟地址时，处理器将产生缺页中断，通知操作 系统，并把缺页的虚拟地址(保存在CR2寄存器中)
和缺页时访问虚存的模式一并传给 Linux 的缺页中 断处理程序。
第五章 Linux存储器管理
count 是指按照这个时间间隔统计的次数。监 控内存软件分别有： free、Vmstat 以及图形化工具 系统监视器，下面对其进行介绍。
第五章 Linux存储器管理
vmstat命令输出分成六个部分： (1)进程procs (2)内存memoy
（3） swap交换页面