WINDOWS操作系统原理之内存管理精品PPT课件

• 在此1 M大小的映射表中，有相当数量的表项其实并没有 用，所以，为这部分表项分配存储空间是浪费。Intel x86 采用了分级页表的方式来管理这一映射关系。32位虚拟地 址中的页索引部分又被分成页目录索引（10位）和页表索 引（10位）两部分，所以，一个32位虚拟地址的实际构成
如图3中最上边的虚拟地址结构所示。
页式内存管理
• 下面我们以Intel x86为例来介绍从虚拟内存页面到物理内存页面 的映射。
首先，寻址系统必须确定页面的大小，标准的大小为4 KB，32 位地址值的最后12位是页内偏移，而前20位则是页索引部分， 用于找到一个实际的物理页面。因此，在这样的系统上，页面映 射表是一个1 048 576（即1 M）大小的表。
访问内存时必须要通过段描述符，这意味 着Windows将所有的段描述符都构造成了 从基地址0开始，且段的大小设置为 0x80000000、0xc0000000或0xffffffff，具 体取决于段的用途和系统设置。
所以，Windows系统中的代码，包括 操作系统本身的代码和应用程序代码，所 面对的地址空间都是线性地址空间。这种 做法相当于屏蔽了处理器中的逻辑地址概 念，段只被用于访问控制和内存保护。
Windows操作系统的存储管理
内存管理
• 指软件运行的时候对计算机内存资源进行 分配和使用的技术，主要目的是如何高效、 快速的分配，并且在适当时候释放和回收 内存资源。
• 内存可以通过许多媒介实现，例如磁带或 者是硬盘，或者是小阵列容量的微芯片。
两个内存
• 物理内存——就是插在主板上的内存条，它是固定的，内 存条的容量多大，物理内存就有多大（集成显卡系统除 外），但是如果程序运行很多或者程序本身很大的话，就 会导致大量的物理内存占用，甚至导致物理内存消耗殆尽。
三个地址
• 线性地址（linear address）/虚拟地址（virtual address）——与逻辑地址类似。它也是一个不真实的地 址。
• 如果逻辑地址是对应的硬件平台段式管理转换前地址，那 么线性地址就对应了硬件页式内存的转换前地址。
• Windows 2000/xp有如下三种管理应用程 序内存的方法：
页式内存管理
• 在页式内存管理中，虚拟地址空间是按页（page）来管理 的，对应于物理内存也按页来管理，物理内存中的页面有 时候称为页帧（page frame），其大小与虚拟空间中的页 面相同。因此，映射关系是在内存页面的基础上进行的。 •在虚拟地址空间中连续的页面对应于在物理内存中的 页面可以不必连续，并且，通过小心地维护好虚拟地址 空间的页面与物理内存页面之间的映射关系，物理页面 可以被动态地分配给特定的虚拟页面，从而只有当真正 有必要的时候才把物理页面分配给虚拟页面，毕竟物理 页面相对来说是稀缺资源。
•如图1所示，物理地址空间（其地址范围取决于系统中 物理内存的数量，图中假设为1 GB物理内存）中有一 部分页面被映射到了左侧的虚拟地址空间（在32位平台 上，其地址范围为0x0~0xffffffff）。
图1
页式内存管理
• 注意，在一个系统中，物理地址空间只有一个，但虚拟地址空间可以 有多个。每个虚拟地址空间都必须有一个映射关系，而且，虚拟地址 空间中有相当一部分页面并没有对应的物理页面（在图1中标记为 “不使用”的页面）。
•实际上，每个虚拟地址空间往往只能映射到很少一部分物理页面。反 过来，每个物理页面往往只被映射到一个虚拟地址空间中。如果有一 个物理页面被映射至两个或两个以上的虚拟地址空间，那么，这些地 址空间将共享此页面，若在一个虚拟地址空间中改写了此页面中的数 据，则在其他的虚拟地址空间中将可以看到这样的变化。
三个地址
• 逻辑地址——是指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。 只有在Intel实模式下，逻辑地址才和物理地址相等（因为 实模式没有分段或者分页，cpu不进行自动地址转换）， 逻辑地址也就是在Intel保护模式下程序执行代码段限长内 的偏移地址，（假定代码段、数据段完全一样）。应用程 序员仅仅需要与逻辑地址打交道，而分段和分页是对程序 员完全透明的，仅仅由系统编程人员涉及。应用程序员虽 然自己可以直接操作内存，也只能在操作系统给你分配的 那段内存来操作。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图3
• 基于这样的虚拟地址构成，每个虚拟地址空间对 应有一个页目录，其中包含210=1 024个目录项 （PDE，Page Directory Entry）；每一个目录 项指向一张包含1 024项的页表。
两个内存
• 虚拟内存——虚拟内存就是在硬盘上面划分一块页面文件， 充当内存。当程序在运行的时候，有一部分资源还没有用 上或者同时打开几个程序却只能操作其中一个程序时，系 统没必要将程序所有的资源都塞在物理内存中，所以暂时 将这些不用的资源放在虚拟内存里面，等到需要的时候再 调用。
三个地址
• 物理地址——用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和 CPU连接的地址总线相对应。内存并不是通过物理地址的 方式来寻址的，（虽然可以直接把物理地址理解成插在机 器上的内存本身，把内存看成一个从0一直到最大空间逐 字节编号的大数组，然后把这个数组叫做物理地址），说 它是“与地址总线相对应”还更贴切一些。
• 1）以页为单位的虚拟内存分配方法：适用 于比较大的对象或结构
• 2）内存映射文件方法：将磁盘上文件加载 到内存，适用于大文件和单机的进程间内 存共享
• 3）内存堆方法：动态的分配内存，适用于 小对象的创建
• Windows采用了页式内存管理方案，在 Intel x86处理器上，Windows不使用段来 管理虚拟内存，但是，Intel x86处理器在
有了页面划分的机制以后，我们可以想象，每个虚拟地址32位信息中， 其中一部分位信息指定了一个物理页面，其余的位信息则指定了页内 的偏移量。也就是说，虚拟地址分成了两部分：页索引+页内偏移，其 结构如图2所示。页索引是指该虚拟地址在映射关系中的索引编号，页 内偏移则指定了该地址在页面内部的具体位置。
图2