操作系统 内存管理课件

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1、操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 分页存储管理方式 分段存储管理 段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理存储器的层次结构 存储器是计算机系统的重要组成部分 容量、价格和速度之间的矛盾 内存、外存；易失性和永久性 内存，是稀缺资源 在现代计算机系统中，存储通常采用层次结构来组织 多级存储器结构 主存与寄存器 高速缓存和磁盘缓存操作系统操作系统 内存管理内存管理多级存储器结构 Storage systems in a computer system can be organized in a hier

2、archy Speed, access time Cost per bit Volatility操作系统操作系统 内存管理内存管理主存 vs. 寄存器 Same: Access directly for CPU Register name Memory address Different: access speed Register, one cycle of the CPU clock Memory, Many cycles (2 or more) Disadvantage: CPU needs to stall frequently & this is intolerable Remedy

3、 Cache操作系统操作系统 内存管理内存管理高级缓冲技术caching Caching Copying information into faster storage system When accessing, first check in the cache, if In: use it directly Not in: get from upper storage system, and leave a copy in the cache Using of caching Registers provide a high-speed cache for main memory Inst

4、ruction cache & data cache Main memory can be viewed as a fast cache for secondary storage 操作系统操作系统 内存管理内存管理Magnetic disks 磁盘 Transfer time 传输时间 TT data size * Transfer rate Transfer rate (n M/s)-1 ( n Byte/us )-1 1/n us/Byte Positioning time 定位时间 Seek time 寻道 Ts Rotational latency 旋转延迟 TR TP Ts +TR

5、 m ms TT VS. TP Please Store data closely 操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 分页存储管理方式 分段存储管理 段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理程序执行的基础知识 Von Neumann architecture 冯诺依曼体系结构 Program must be brought into memory Main memory is usually too small Process Program must be placed within a proc

6、ess for it to be executed 作业池 User programs Where to place the program several steps（图）操作系统操作系统 内存管理内存管理操作系统操作系统 内存管理内存管理地址的类型 Absolute address 绝对地址 Address seen by the memory unit Physical address 物理地址 Logical address 逻辑地址 Generated by the CPU Virtual address 虚拟地址 When can the absolute address can

7、be decided?操作系统操作系统 内存管理内存管理操作系统操作系统 内存管理内存管理Address binding 地址的绑定Address binding 地址绑定地址绑定, the binding of instructions and data to memory, 可以在三种三种时刻进行 Compile time If memory location known a priori, absolute code can be generated; must recompile code if starting location changes. Load time Must gen

8、erate relocatable code if memory location is not known at compile time. Execution time Binding delayed until run time if the process can be moved during its execution from one memory segment to another. Need hardware support for address maps (e.g., base and limit registers)Memory-Management Unit (MM

9、U) Hardware device, 逻辑地址 物理地址 Relocation register 重定位寄存器 Added to every address generated by a user process at the time it is sent to memory E.g. MS-DOS on 80 x86 User program deals with logical addresses, it NEVER sees the real physical addresses.操作系统操作系统 内存管理内存管理是否需要将进程的所有代码和数据一次性装入？ Shall we put

10、the entire program & data of a process in physical memory before the process can be executed? For better memory space utilization Dynamic loading Dynamic linking Overlays S 操作系统操作系统 内存管理内存管理程序的装入 绝对装入方式 可重定位装入方式 动态运行时装入方式操作系统操作系统 内存管理内存管理绝对装入方式 编译时，产生absolute code，即使用绝对地址的代码 装入时，必须装入到指定的地址 无需对程序和数据的

11、地址进行修改 适用于单道系统操作系统操作系统 内存管理内存管理可重定位装入方式 大多数情况下，不能预知装入地址，只能在装入时确定 编译时，产生可重定位代码，即使用相对地址的代码 装入时，必须重定位 通常把在装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定位。 由于地址变换是在装入时一次性完成的，以后不再改变，故称为静态重定位 可用于多道系统操作系统操作系统 内存管理内存管理动态运行时重定位 有时候，程序会在内存中移动位置 例如对换 需要能支持在运行过程中动态改变程序在内存中的位置 方法：推迟重定位时机即从相对地址到绝对地址的转换推迟到程序真正执行时才进行 因此，装入内存中的代码和数据的地址仍然是

12、相对地址 需要重定位寄存器的支持操作系统操作系统 内存管理内存管理动态运行时装入方式 根据程序运行的局部性，让程序及其数据在需要时才被装入 Better memory-space utilization; unused routine is never loaded. Useful when large amounts of code are needed to handle infrequently occurring cases Error routine No special support from OS is required implemented through program

13、design Due to the users 操作系统操作系统 内存管理内存管理程序的链接 多个源程序编译多个目标模块；库。需要链接成可装入模块 根据链接时间的不同 静态链接方式：装入前很早就链接 装入时动态链接：边装入，边链接 运行时动态链接：运行时才链接操作系统操作系统 内存管理内存管理静态链接方式 静态链接方式：在程序运行之前，先将各目标模块以及它们所需要的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开。 各目标模块内：相对地址 存在目标模块之间的调用关系 外部调用符号 要解决的问题： 修改相对地址：多个相对地址空间一个统一的相对地址空间 变换外部调用符号操作系统操作系统 内存管理内存

14、管理装入时动态链接 在装入时，根据外部模块调用事件，使用装入程序去寻找相应的外部目标模块，并装入，在装入时，修改相对地址 优点： 便于修改和更新 便于实现对目标模块的共享操作系统操作系统 内存管理内存管理运行时动态链接 程序的每次运行，可能要执行的目标模块集是不同的 全部装入？按需装入？ 运行时动态链接将对某些模块的链接推迟到程序执行时才进行 需要操作系统配合 优点：程序运行前的装入速度加快；省空间操作系统操作系统 内存管理内存管理作业： 从一个源程序到一个在内存中可执行的程序，一般需要哪几个步骤？ 有哪几种地址类型？ 有哪几种程序装入方式和链接方式？操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要

15、 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 分页存储管理方式 分段存储管理 段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理连续内存分配方式（contiguous memory allocation） 连续分配存储管理方式 单一连续 固定分区 动态分区 对换操作系统操作系统 内存管理内存管理 内存通常被划分为两个分区（partitions）: 系统区：常驻操作系统系统区：常驻操作系统，通常位于内存低端 用户区：提供给用户（进程）使用，用户区：提供给用户（进程）使用，常位于内存高端 连续内存分配是指：从用户区中为每个进程分配一个单独的、连续的内从用户区中为每个

16、进程分配一个单独的、连续的内存空间存空间。 主要有以下两种方式 单一连续分配方式 多分区式分配方式 固定分区式 动态分区式（可变分区式）操作系统操作系统 内存管理内存管理单一连续分配方式 最简单 只能用于单用户、单任务系统操作系统操作系统 内存管理内存管理 存储保护机制 存储管理单元，MMU 或者不采用任何存储保护机制 出于信任，或采用再启动方式，操作系统操作系统 内存管理内存管理多分区式分配方式 支持多道程序， 用户区被进一步划分为若干个分区 每一个分区装载一个进程 多道程序度与分区的个数有关 根据分区大小是固定的还是可变的 固定分区方式 大小固定；等大小 or 不等大小 动态分区方式（可变

17、分区方式） 动态&可变：内存的划分是动态的，分区的大小随进程的大小确定，分区的数目随系统的运行而不断变化操作系统操作系统 内存管理内存管理固定分区分配方式 支持多道程序，用于60年代IBM360的MFT中 分区的划分方法，两种 等大小 不等大小但分区的大小一旦确定就不再发生变化 分配算法： 按大小顺序建立分区使用表操作系统操作系统 内存管理内存管理0分区号 大小（KB） 起始地址(K) 状态11530已分配23045已分配35075已分配4100125已分配操作系统作业A作业B作业C30K45K75K125K225K固定分区使用表固定分区使用表 分配算法操作系统操作系统 内存管理内存管理 缺点

18、 内存利用率低 定义：内部碎片和外部碎片 内部碎片：已经分配出去但得不到利用的存储区域 外部碎片：不能被利用的小分区 解决方案：动态分区操作系统操作系统 内存管理内存管理动态分区分配方式 能根据进程实际需要的内存大小，动态分配 能减少内部碎片 关键 数据结构：记录内存的使用情况，特别是空闲内存 分配算法 分配和回收操作数据结构 空闲分区表空闲分区表，占用额外的空间 空闲分区链空闲分区链，利用空闲分区序号 分区大小起始地址 状态前向指针N个字节可用后向指针N2N200操作系统操作系统 内存管理内存管理分区分配算法 在将一个新作业装入内存时，要从空闲分区表或空闲分区链中，选出一个分区分配给该作业，

19、有三种常见的分配算法 首次适应算法FF：First Fit 循环首次适应算法 最佳适应算法：Best Fit=smallest 最差适应算法：Worst Fist largest操作系统操作系统 内存管理内存管理思考 在一个系统中内存有如下的空闲区，10KB，4KB，20KB，18KB，7KB，9KB，12KB，以及15KB。在分别使用首次适应，最佳适应，最差适应以及循环首次适应算法，对下列3个连续空间分配，得到的空闲分区分别是什么？ 12KB 10KB 9KB操作系统操作系统 内存管理内存管理分区分配操作 分配 设请求的分区大小为u.size； 利用某种分配算法，找到待分配的分区，大小为m.

20、size 根据上述分区分配算法，有m.sizeu.size 判断m.size-u.size与min_size的大小min_size为事先约定的最小分区大小 ，分割，分割出来的分配出去，余下的加入空闲数据结构 否则，直接分配 将分配到的分区的首地址返回可以看出，动态分区分配方式中内部碎片最大不超过min_size操作系统操作系统 内存管理内存管理 回收，要考虑合并 向前合并 只需修改前一个空闲分区表项中的大小 向后合并（图） 只需修改后一个空闲分区表项中的起始地址和大小 与前后同时合并 修改前一个空闲分区表项中的大小，并取消后一个分区表项 无相邻空闲分区，无需合并 建立一个新的表项，填写相关信息

21、，插入 上述过程中，根据链表的维护规则，可能需要调整相应表项在空闲链表中的位置操作系统操作系统 内存管理内存管理操作系统操作系统 内存管理内存管理动态分区分配分析 随着分配的进行，空闲分区可能分散在内存的各处 尽管有回收，但内存仍然被划分的越来越碎，形成大量的外部碎片OSprocess 5process 8process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 2OSprocess 5process 9process 2process 9process 10操作系统操作系统 内存管理内存管理解决方案之一：紧凑Compaction 针对外部碎片：采用紧凑的

22、方法 紧凑：通过移动进程在内存中的位置，把多个分散的小分区拼成大分区 需要动态重定位技术支持操作系统操作系统 内存管理内存管理 动态重定位分区分配算法：引入紧凑和动态重定位技术的动态分区分配算法 基本与动态分区分配算法相同操作系统操作系统 内存管理内存管理思考 紧凑的时间开销：若计算机读一个32位的时间是10ns，那么紧凑128MB的空间需要多长时间？操作系统操作系统 内存管理内存管理S 对换 最早用于MIT的CTSS中 单用户时间片对换 对换是指把内存中暂时不能运行的进程，或暂时不用的程序和数据，换出到外存上，以腾出足够的内存空间，把已具备运行条件的进程，或进程所需要的程序和数据，换入内存

23、能提高内存利用率 对换的单位： 进程：整体对换；进程对换 页、段：部分对换操作系统操作系统 内存管理内存管理 对换技术需要实现三个方面的功能 对换空间的管理 进程的换出 进程的换入操作系统操作系统 内存管理内存管理Backing store，对换空间 Fast disk, large enough to accommodate copies of all memory images for all users; must provide direct access to these memory images. 为提高速度，考虑连续分配方式，忽略碎片问题 需提供数据结构对空闲盘块进行管理 方法

24、类似动态分区分配方法操作系统操作系统 内存管理内存管理进程的换出 第一步：选择被换出的进程 Some approaches RR scheduling: s out when a quantum expires Priority-based scheduling: Roll out, roll in Lower-priority process is s out so higher-priority process can be loaded and executed. 第二步：换出 确定要换出的内容 非共享的程序和数据段的换出 共享的程序和数据段的换出：计数器 申请对换空间，换出，并修改相关

25、数据结构操作系统操作系统 内存管理内存管理进程的换入 第一步：选择被换入的进程 考虑“静止就绪状态”的进程 其他原则 第二部：申请内存并换入 申请成功 申请失败：利用对换技术腾出内存操作系统操作系统 内存管理内存管理Schematic View of S操作系统操作系统 内存管理内存管理S (cont.) Context switch S in & out cost too much Assume: process size 1MB, disk transfer rate 5MB/sec, average latency 8ms Transfer time =1MB / (5MB/sec) =

26、 1/5 sec = 200 ms S = 208 ms S & in = 416 Major part of s is transfer time For RR scheduling, time quantum should 416ms Problems exist for pending I/O processes s操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 离散分配方式（离散分配方式（Discrete Memory Allocation） 分页存储管理方式分页存储管理方式 碎片碎片页页 分段存储管理分段存储管

27、理 从逻辑上进行分段从逻辑上进行分段 段页式存储管理段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 离散分配方式（离散分配方式（Discrete Memory Allocation） 分页存储管理方式分页存储管理方式 碎片碎片3b操作系统操作系统 内存管理内存管理 Effective memory-access time, time needed for every data/instruction access 需要2次访存 Access the page table & Access the data/

28、instruction Solution: A special fast-lookup hardware cache called associative registers or translation look-aside buffers (TLBs)操作系统操作系统 内存管理内存管理联想存储器，快表 Associative registers Each register : a key & a value Parallel search (high speed) Expensive, typically 82048 entries Address translation (A, A) I

29、f A is in associative register, get frame # out. Otherwise get frame # from page table in memory操作系统操作系统 内存管理内存管理联想存储器，快表 TLB miss（TLB缺失） If the page number is not in the associative registers Get & store Hit ratio（命中率） The percentage of times that a page number is found in the associative registers

30、 Context switch TLB flushed TLB replacement algorithm操作系统操作系统 内存管理内存管理具有块表的地址变换机构页表寄存器页表始址页表长度页号页内 地 址逻辑地址L越界中断块号b页表页号页号输入寄存器块号bb快表d物理地址+操作系统操作系统 内存管理内存管理Effective Access Time 有效存取时间 设： Associative Lookup = time unit;memory cycle time = t time unit;Hit ratio = Effective Access Time (EAT)EAT = (t + )

31、 + (2t + )(1 )= 2t + t If (20 ns), t(100 ns), 1(80%), 2(98%): TLB hit: 20+100=120 ns TLB miss: 20+100+100=220 ns EAT1 = 120*0.8 + 220 * 0.2 = 140 ns EAT2 = 120*0.98 + 220 * 0.02 = 122 ns操作系统操作系统 内存管理内存管理思考 从页表中读取数据的时间开销是5ns，从块表中读取数据的开销则是1ns，为使平均开销降为1ns，则块表的命中率至少为多少？操作系统操作系统 内存管理内存管理Memory Protection

32、 内存保护 If page size 2n, page & frame is aligned at 2n, so Memory protection implemented by associating protection bit with each frame Provide read only, read-write, execute-only protection or Valid-invalid “valid”: the associated page is in the process logical address space, and is thus a legal page.

33、 “invalid”: the page is not in the process logical address space.操作系统操作系统 内存管理内存管理Valid/invalid bit example Address space 214 Page size 2KB Process size (010468) Page 5 has internal fragmentation PTLR=6 Page 6 & 7 are invalid104861024012287操作系统操作系统 内存管理内存管理两级和多级页表 考虑：地址空间：32位；页大小4KB；有220即1M个页需要页表项：1

34、M个假设，每个页表项使用32位表示，需要4MB的空间 解决方案： 进一步离散操作系统操作系统 内存管理内存管理两级页表 对页表分页，建立外层页表（页目录） 则上述4MB的页表，进一步分为1K个页需要1K个页目录项假设每个页目录项使用32位表示，需要4KB 因此，逻辑地址where p1 is an index into the outer page table, and p2 is the displacement within the page of the outer page table.page numberpage offsetp1p2d101012操作系统操作系统 内存管理内存管理

35、两级页表举例操作系统操作系统 内存管理内存管理具有两级页表的地址变换机构外部页号P1P2外部页内地址 页内地址d逻辑地址外部页表寄存器外部页表db页表页表物理地址+操作系统操作系统 内存管理内存管理多级页表及其性能 Level number = L, effect memory accesses time = (L+1)t考虑高速缓存技术： Cache hit rate of 98 percent yields:effective access time = 0.98 120 + 0.02 520= 128 nanoseconds.which is only a 28 percent slow

36、down in memory access time.操作系统操作系统 内存管理内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 离散分配方式（离散分配方式（Discrete Memory Allocation） 分页存储管理方式分页存储管理方式 碎片碎片页页 分段存储管理分段存储管理 从逻辑上进行分段从逻辑上进行分段 段页式存储管理段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理分段存储管理方式 引入分段的目的，是为了满足用户在编程和使用上的需求（逻辑上） 在用户看来： A program is a collection of segments.

37、 A segment is a logical unit such as: main program, procedure, function, method, Object local variables, global variables, common block, stack, symbol table操作系统操作系统 内存管理内存管理逻辑地址空间 A collection of segments each segment Two dimensional address space A logical address Compiler automatically constructs

38、segments reflecting the input program. Pascal compiler FORTRAN compiler C compiler, such as gcc, 段号段号段内地址段内地址3116 150操作系统操作系统 内存管理内存管理Logical view of segmentation操作系统操作系统 内存管理内存管理分段的硬件支持 段表 2-D logical address 1-D physical addresses; 每个段表项包括 段在内存中的基地址 段的长度 Segment-table base register (STBR) Points t

39、o the segment tables location in memory. Segment-table length register (STLR) Indicates number of segments used by a program; Segment number s is legal if s STLR.操作系统操作系统 内存管理内存管理段表举例作业空间(MAIN)0030K(X)1020K(D)2015K(S)3010K30K20K15K10K40K80K120K150K段长基址段号(MAIN)030K(X)120K(D)215K(S)310K040K80K120K150K

40、段表内存空间0123操作系统操作系统 内存管理内存管理分段的地址变换机构控制寄存器段表始址段表长度2100段号S越界1 K段长600段号01236 K4 K5002008 K9200基址位移量W82928K82928692主存物理地址有效地址段表始址段表始址段表长度段表长度+段号段号S 位移量位移量W操作系统操作系统 内存管理内存管理分页和分段的主要区别 角度和目的不同 分页：面向系统，物理上离散，减少外部和内部碎片，提高内存利用率 页是信息的物理单位 分段：面向用户，逻辑上离散，满足用户的需求 段是信息的逻辑单位，意义相对完整 大小不同 分页：大小固定，由硬件决定 分段：不固定，划分由程序决

41、定，在编译时确定 地址空间的维数不同 分页：1维 分段：2维，段名段内偏移操作系统操作系统 内存管理内存管理分段举例 4300 + 53 = 4353 3200 + 852 = 4052How about ?操作系统操作系统 内存管理内存管理分段的好处 Relocation，可重定位，方便编程 Dynamic, by segment table Sharing shared segments same segment number Protection Use segment table entry Protection bit Read-only, execute-only, read/wr

42、ite Validation bit, 0illegal segment Protection & sharing at segment level 动态增长 动态链接操作系统操作系统 内存管理内存管理段的共享操作系统操作系统 内存管理内存管理关于代码的重入 可重入代码，又称为“纯代码”，是一种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有任何改变操作系统操作系统 内存管理内存管理针对段的内存管理 由于段长不固定，采用动态分区管理方式 分配： 首次适应、最佳适应等等 由于大小不固定，存在外部碎片 可能要考虑“紧凑” 由于采用动态分区管理方式 内部碎片很少操作系统操作系统 内存管理

43、内存管理内容提要 存储器的层次结构 程序执行的基础知识、程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 离散分配方式（离散分配方式（Discrete Memory Allocation） 分页存储管理方式分页存储管理方式 碎片碎片页页 分段存储管理分段存储管理 从逻辑上进行分段从逻辑上进行分段 段页式存储管理段页式存储管理操作系统操作系统 内存管理内存管理段页式存储管理方式 考虑在分段的基础上分页 与单纯的分段相比 在段表项中存放的不是段的起始地址，而是段所对应的页表的起始地址操作系统操作系统 内存管理内存管理段页式举例：IA32体系结构中的段页机制 IA32是基于分段的，分页可选 常见的段寄存器如：

44、CS, DS, ES, FS, GS, SS IA32使用全局描述符表GDT或者局部描述符表LDT 每个描述符描述一个段，包括段大小、访问权限、基地址等 使用段选择子索引一个段 IA32的地址表示为，段：段内偏移 Linear address = segment base + segment offset 在不使用分页机制的情况下，线性地址就是物理地址否则，线性地址通过页表机制转换成物理地址操作系统操作系统 内存管理内存管理IA32 address translation2-level page table操作系统操作系统 内存管理内存管理作业 什么是内部碎片；什么是外部碎片 画出最基本的分页地址变换机构。 分页和分段的主要区别是什么？