存儲(chǔ)器管理分析總結(jié)

..存儲(chǔ)器管理分析總結(jié)一、理解主存管理需要實(shí)現(xiàn)的功能1、地址映射 1定義：為了保證CPU執(zhí)行指令時(shí)可正確訪問(wèn)存儲(chǔ)單元,需將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)由機(jī)器直接尋址的物理地址,此過(guò)程即為地址映射。 2地址映射分類： a.靜態(tài)重定位 當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時(shí),一次性實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換,以后不再轉(zhuǎn)換〔一般在裝入內(nèi)存時(shí)由軟件完成。 b.動(dòng)態(tài)重定位 在程序運(yùn)行過(guò)程中要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)再進(jìn)行地址變換〔即在逐條指令執(zhí)行時(shí)完成地址映射。一般為了提高效率,此工作由硬件地址映射機(jī)制來(lái)完成。由硬件支持,軟件硬件結(jié)合完成。硬件上一般需要一對(duì)寄存器的支持。 3個(gè)人理解：a.地址映射的目的：增加邏輯地址的概念,可以理解為系統(tǒng)為每個(gè)任務(wù)提供了一個(gè)虛擬內(nèi)存,任務(wù)執(zhí)行時(shí)同時(shí)存在兩個(gè)內(nèi)存,虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存,操作系統(tǒng)對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行操作,對(duì)內(nèi)存管理起來(lái)更方便；而物理內(nèi)存主要就是對(duì)應(yīng)硬件的真實(shí)地址；b.地址映射的步驟：對(duì)于靜態(tài)地址映射,在程序燒寫到處理器時(shí),已經(jīng)完成了地址的映射,并且映射關(guān)系已固定,一般內(nèi)核中大部分代碼就是實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)地址映射；對(duì)于動(dòng)態(tài)地址映射,首先操作系統(tǒng)先申請(qǐng)一塊虛擬內(nèi)存,之后調(diào)用映射函數(shù)之后,才實(shí)現(xiàn)了物理內(nèi)存的分配,這個(gè)主要用于用戶進(jìn)程中。2、主存儲(chǔ)空間的分配和釋放 1定義：合理地分配和使用存儲(chǔ)空間也是內(nèi)存管理的重要內(nèi)容,通過(guò)實(shí)時(shí)合理的分配和釋放內(nèi)存,能達(dá)到內(nèi)存使用率的最大化。 2個(gè)人理解：這個(gè)所謂的主存儲(chǔ)的分配和釋放,是指操作系統(tǒng)是否對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行管理分配,不是完全有用戶程序決定。3、主存儲(chǔ)空間的保護(hù)1定義：對(duì)于主存儲(chǔ)器而言,其同時(shí)存在多個(gè)用戶程序和系統(tǒng)軟件。為使系統(tǒng)正常工作,必須防止由于一個(gè)用戶程序出錯(cuò)而破壞同時(shí)存在主存內(nèi)的系統(tǒng)軟件或其他用戶的程序,還須防止一個(gè)用戶程序不合法地訪問(wèn)并非分配給它的主存區(qū)域。因此,存儲(chǔ)保護(hù)是多道程序和多處理機(jī)系統(tǒng)必不可少的部分,也是存儲(chǔ)管理中非常重要的一部分。 2存儲(chǔ)保護(hù)方法分類： a.對(duì)于連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)域,采用防止地址越界方法：采用界限寄存器,限定存儲(chǔ)區(qū)域的上下界限。 b.對(duì)于非連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)域,采用防止操作越權(quán)方法：〔這其中又可以細(xì)化為二種方法 --鍵式保護(hù)：每個(gè)頁(yè)面區(qū)域都包含一個(gè)存儲(chǔ)鍵,表明了存儲(chǔ)區(qū)域控制和保護(hù)的信息。 --環(huán)狀保護(hù)：把系統(tǒng)程序和用戶程序按重要性分層,稱為環(huán),對(duì)每個(gè)環(huán)都規(guī)定訪問(wèn)它的級(jí)別,違反規(guī)定的存取操作是非法的,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)正在執(zhí)行的程序的保護(hù)。 3個(gè)人理解： a.后面的所有存儲(chǔ)保護(hù)機(jī)制都是采用防止地址越界和防止操作越權(quán)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4、主存儲(chǔ)空間的共享1定義：允許兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一個(gè)邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。不同進(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存。進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中,所有進(jìn)程都可以訪問(wèn)共享內(nèi)存中的地址。 2優(yōu)點(diǎn)：使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間的通信實(shí)現(xiàn)方便,數(shù)據(jù)的共享還使進(jìn)程間的數(shù)據(jù)不用傳送,而是直接訪問(wèn)內(nèi)存,也加快了程序的效率。 3缺點(diǎn)：多個(gè)進(jìn)程使用共享內(nèi)存塊時(shí),必須達(dá)成一種協(xié)議,不然會(huì)造成混亂,這個(gè)必須通過(guò)其他的比如信號(hào)量等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、主存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充 1定義：有限的內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大程序以及共存于內(nèi)存的多個(gè)程序的存儲(chǔ)要求,這就得借助于一些存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的擴(kuò)充。 2實(shí)現(xiàn)方法：一般采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)〔涉及到交換技術(shù),其使每個(gè)用戶作業(yè)都對(duì)應(yīng)有一個(gè)虛存,用戶編程時(shí)不必考慮實(shí)存的大小,也就是說(shuō),一個(gè)虛擬存儲(chǔ)器就是一個(gè)作業(yè)的邏輯地址空間。虛存的容量與內(nèi)存的容量沒(méi)有直接聯(lián)系,而是由處理機(jī)的地址線的位數(shù)來(lái)決定的。其具體實(shí)現(xiàn)采用了交換技術(shù),實(shí)現(xiàn)緩存和內(nèi)存之間的交換。二、主存管理方式的發(fā)展及其對(duì)比1、連續(xù)存儲(chǔ)空間管理方式具體有多種形式大類別連續(xù)存儲(chǔ)空間管理方式小類別無(wú)管理單一分區(qū)固定分區(qū)

〔亦為靜態(tài)分區(qū)動(dòng)態(tài)分區(qū)定義無(wú)操作系統(tǒng)用于對(duì)于內(nèi)存的管理的方式有操作系統(tǒng),內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。

系統(tǒng)區(qū)用于存放操作系統(tǒng)程序,用戶區(qū)用于存放用戶程序系統(tǒng)開機(jī)初啟時(shí),系統(tǒng)操作員根據(jù)當(dāng)天作業(yè)情況把主存的用戶區(qū)劃分成大小可以不等但位置固定的分區(qū)系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程需要分配內(nèi)存,不劃分固定分區(qū)特點(diǎn)1由于沒(méi)有操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的支持,用戶通過(guò)自己編程負(fù)責(zé)所有的內(nèi)存管理工作,直接對(duì)物理地址進(jìn)行操作；

2僅有物理內(nèi)存,沒(méi)有虛擬內(nèi)存；3不存在內(nèi)存的分配和釋放問(wèn)題,用戶面對(duì)的是一個(gè)內(nèi)存全為空的內(nèi)存,用戶可以以任意方式使用內(nèi)存,具有最大的靈活性；4僅適用于單道程序設(shè)計(jì)。1用戶區(qū)最多存放一道用戶程序。

2可以使用靜態(tài)地址映射。若有硬件〔重定位寄存器的支持,也可以使用動(dòng)態(tài)地址映射；

3基本不存在存儲(chǔ)擴(kuò)充的問(wèn)題。在上面的右圖中,若用戶程序較大,覆蓋了操作系統(tǒng)程序中可被覆蓋的部分,則當(dāng)此用戶程序結(jié)束后,操作系統(tǒng)需重新加載被覆蓋的部分。這種方式在一定程序上擴(kuò)充了用戶區(qū)域；4不存在內(nèi)存的分配和釋放問(wèn)題,用戶面對(duì)的用戶區(qū)內(nèi)存全為空,用戶可以以任意方式使用內(nèi)存,具有最大的靈活性；

5一般僅適用于單道系統(tǒng)。所以這種方式具有單道系統(tǒng)的所有缺點(diǎn),主要是系統(tǒng)效率不高；

6使用交換技術(shù),也可以支持多道系統(tǒng)。1存儲(chǔ)管理需設(shè)置一張"主存分配表",用以記錄主存中劃分的分區(qū)和分區(qū)的使用情況。當(dāng)一個(gè)程序需要加載運(yùn)行,系統(tǒng)可以擇一個(gè)大小合適的空閑分區(qū)分配出去。當(dāng)程序結(jié)束而釋放分區(qū)時(shí),將分區(qū)狀態(tài)設(shè)置為空閑即可；2存在內(nèi)部碎片<分區(qū)內(nèi)未被利用空間>；3實(shí)現(xiàn)地址映射。靜態(tài)地址映射或者動(dòng)態(tài)地址映射；4實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù),防止地址越界和防止操作越權(quán)；5實(shí)現(xiàn)共享很困難；6可以使用交換技術(shù)或覆蓋技術(shù)擴(kuò)充內(nèi)存。1不對(duì)用戶區(qū)實(shí)施固定分區(qū),在實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)空間的分配和釋放時(shí),由操作系統(tǒng)根據(jù)用戶需要來(lái)分配內(nèi)存；2這樣產(chǎn)生的問(wèn)題是容易產(chǎn)生內(nèi)存外部碎片〔難以利用的小空閑分區(qū),可以采用拼接技術(shù),解決碎片問(wèn)題。

3程序動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)問(wèn)題,如果該程序相鄰的分區(qū)是空閑的,將此空閑分區(qū)分配給該進(jìn)程；若與該程序相鄰的分區(qū)不空閑,則將該程序移動(dòng)到一個(gè)更大的空閑分區(qū)中,或者將內(nèi)存中的一個(gè)或多個(gè)非空閑分區(qū)交換到磁盤上的交換區(qū)中,若交換區(qū)已滿,則該程序只能等待或者被殺死。

4其唯一的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。相較于之前管理方式的區(qū)別1無(wú)地址映射

2無(wú)主存分配和釋放

3無(wú)存儲(chǔ)保護(hù)

4無(wú)主存儲(chǔ)空間的共享

5無(wú)主存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充1實(shí)現(xiàn)了地址映射,可以采用靜態(tài)地址映射或動(dòng)態(tài)地址映射

2實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù),靜態(tài)地址映射采用防止地址越界方法,動(dòng)態(tài)地址映射采用防止操作越權(quán)方法

3可以犧牲系統(tǒng)區(qū)來(lái)擴(kuò)充內(nèi)存,方法不是很好1在內(nèi)存分配時(shí),把用戶區(qū)分成一個(gè)個(gè)固定大小的分區(qū),再來(lái)分配

2實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)空間的分配和釋放,系統(tǒng)對(duì)用戶區(qū)分配實(shí)行控制

3使用交換技術(shù)或覆蓋技術(shù)擴(kuò)充內(nèi)存,仍存在問(wèn)題1改善了主存儲(chǔ)空間的分配和釋放,摒棄了用戶區(qū)固定分區(qū)亟待優(yōu)化功能1預(yù)先規(guī)定了分區(qū)大小,使得大程序無(wú)法裝入

2主存空間的利用率不高,一個(gè)作業(yè)不可能恰好填滿分區(qū)；同時(shí)一個(gè)作業(yè)運(yùn)行中要求動(dòng)態(tài)擴(kuò)充主存,采用固定分區(qū)難實(shí)現(xiàn)

3各分區(qū)作業(yè)要共享程序和數(shù)據(jù)也難實(shí)現(xiàn)。

4分區(qū)的數(shù)目是在系統(tǒng)初啟時(shí)確定的,這就限制了多道運(yùn)行的程序數(shù)。1對(duì)空間分配的連續(xù)性要求使得對(duì)于空間的使用不靈活,導(dǎo)致空間使用效率不高。

2存在碎片問(wèn)題,也會(huì)導(dǎo)致空間使用效率降低。盡管可以使用拼接技術(shù)解決碎片問(wèn)題,但是拼接技術(shù)是一個(gè)成本很高的方法。提高分配閥值雖有助于減少碎片,但是會(huì)降低內(nèi)存使用空間效率。

3程序的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)較困難。

4幾乎不支持虛擬存儲(chǔ)技術(shù)

5不支持內(nèi)存共享。2、非連續(xù)存儲(chǔ)空間管理方式也具有多種形式大類別非連續(xù)存儲(chǔ)空間管理方式小類別頁(yè)模式段模式段頁(yè)模式定義通過(guò)對(duì)內(nèi)存分頁(yè),實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)對(duì)內(nèi)存分段,實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)對(duì)內(nèi)存分段同時(shí)分頁(yè),實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理特點(diǎn)1分頁(yè)機(jī)制支持虛擬存儲(chǔ)技術(shù)；

2虛擬存儲(chǔ)技術(shù),用戶只關(guān)心虛擬地址,其物理地址的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)交換技術(shù),實(shí)現(xiàn)緩存和內(nèi)存的切換,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存的擴(kuò)充；

3使用分頁(yè)時(shí),每個(gè)端被劃分為頁(yè)面〔通常每頁(yè)4KB,頁(yè)面存儲(chǔ)與物理內(nèi)存或硬盤上,操作系統(tǒng)通過(guò)維護(hù)一個(gè)頁(yè)目錄和一些頁(yè)表來(lái)留意這些頁(yè)表信息；

4分頁(yè)管理頁(yè)面的保護(hù),可采用的是防止操作越權(quán)的保護(hù)方式,在頁(yè)表中增加一些訪問(wèn)標(biāo)志位；也可采取存儲(chǔ)保護(hù)鍵作為保護(hù)機(jī)制；或者越界訪問(wèn)控制。1實(shí)現(xiàn)內(nèi)存分段,通過(guò)段模式實(shí)現(xiàn)對(duì)主存儲(chǔ)器的共享操作。1段頁(yè)式管理的地址映射,實(shí)現(xiàn)段和頁(yè)的二級(jí)映射虛擬地址到線性地址再到物理地址；

2段頁(yè)式管理是基于頁(yè)式管理的分配與釋放,所以段頁(yè)式管理的主存分配與釋放和頁(yè)式管理相同；

3>段頁(yè)式管理所支持的虛擬存儲(chǔ)綜合分頁(yè)和分段的虛擬存儲(chǔ)；

4段頁(yè)式管理所支持的共享與保護(hù)綜合和分頁(yè)和分段的共享與保護(hù)。需要注意的是,可能存在兩級(jí)訪問(wèn)控制：段的訪問(wèn)控制和頁(yè)的訪問(wèn)控制,顯然,頁(yè)的訪問(wèn)控制不能超過(guò)段的訪問(wèn)控制。相較于之前管理方式的區(qū)別1增加頁(yè)概念,優(yōu)化了存儲(chǔ)保護(hù)；

2主存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充中實(shí)現(xiàn)了虛擬存儲(chǔ)技術(shù),1區(qū)別于頁(yè)模式的一種段模式處理方式；

2實(shí)現(xiàn)了主存儲(chǔ)的共享問(wèn)題。1實(shí)現(xiàn)地址映射

2實(shí)現(xiàn)主存分配和釋放

3實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)保護(hù)

4實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)空間的共享

5實(shí)現(xiàn)主存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充亟待優(yōu)化功能1對(duì)于內(nèi)存的共享沒(méi)有很好的解決1龐大的映射表對(duì)于存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)也是一種負(fù)擔(dān)；

2不斷查詢映射表也會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān),影響系統(tǒng)效率。3、頁(yè)模式、段模式和段頁(yè)模式的深層次對(duì)比分析類別頁(yè)模式段模式段頁(yè)模式目的1.頁(yè)是信息的物理單位；

2.分頁(yè)是為實(shí)現(xiàn)離散分配方式,以消減內(nèi)存的外零頭,提高內(nèi)存的利用率；

3.分頁(yè)僅僅是由于系統(tǒng)管理的需要,而不是用戶的需要1.段是信息的邏輯單位,它含有一組其意義相對(duì)完整的信息。

2.分段的目的是為了能更好的滿足用戶的需要1.分頁(yè)系統(tǒng)能有效地提高內(nèi)存的利用率,而分段系統(tǒng)能反映程序的邏輯結(jié)構(gòu),便于段的共享與保護(hù),將分頁(yè)與分段兩種存儲(chǔ)方式結(jié)合起來(lái),就形成了段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式；

2.在段頁(yè)式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中,作業(yè)的地址空間首先被分成若干個(gè)邏輯分段,每段都有自己的段號(hào),然后再將每段分成若干個(gè)大小相等的頁(yè)。對(duì)于主存空間也分成大小相等的頁(yè),主存的分配以頁(yè)為單位；

3.段頁(yè)式系統(tǒng)中,作業(yè)的地址結(jié)構(gòu)包含三部分的內(nèi)容：

段號(hào)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)位移量

4.程序員按照分段系統(tǒng)的地址結(jié)構(gòu)將地址分為段號(hào)與段內(nèi)位移量,地址變換機(jī)構(gòu)將段內(nèi)位移量分解為頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)位移量；

5.為實(shí)現(xiàn)段頁(yè)式存儲(chǔ)管理,系統(tǒng)應(yīng)為每個(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)段表,包括每段的段號(hào),該段的頁(yè)表始址和頁(yè)表長(zhǎng)度。每個(gè)段有自己的頁(yè)表,記錄段中的每一頁(yè)的頁(yè)號(hào)和存放在主存中的物理塊號(hào)。長(zhǎng)度1.頁(yè)的大小固定且由系統(tǒng)確定,把邏輯地址劃分為頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分,是由機(jī)器硬件實(shí)現(xiàn)的,因而一個(gè)系統(tǒng)只能有一種大小的頁(yè)面1.段的長(zhǎng)度卻不固定,決定于用戶所編寫的程序,通常由編輯程序在對(duì)源程序進(jìn)行編輯時(shí),根據(jù)信息的性質(zhì)來(lái)劃分地址表示1.分頁(yè)的作業(yè)地址空間是維一的,即單一的線性空間,程序員只須利用一個(gè)記憶符,即可表示一地址1.分段的作業(yè)地址空間是二維的,程序員在標(biāo)識(shí)一個(gè)地址時(shí),既需給出段名,又需給出段內(nèi)地址存取權(quán)限1.只有讀和寫1.有讀、寫和執(zhí)行內(nèi)存連續(xù)性1.物理內(nèi)存不連續(xù)1.物理空間不連續(xù),但段內(nèi)連續(xù)優(yōu)勢(shì)1.也可以實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的共享,但沒(méi)有段模式方便易行1.易于實(shí)現(xiàn)段的共享,允許若干個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)或多個(gè)分段,且對(duì)段的保護(hù)也十分簡(jiǎn)單易行三、分頁(yè)管理機(jī)制1、頁(yè)式管理的基本概念 分頁(yè)機(jī)制支持虛擬存儲(chǔ)技術(shù)。在使用虛擬存儲(chǔ)的環(huán)境中,大容量的線性地址空間需要使用小塊的物理內(nèi)存以及 某些外部存儲(chǔ)空間來(lái)模擬。使用分頁(yè)時(shí),每個(gè)端被劃分為頁(yè)面〔通常每頁(yè)4KB,頁(yè)面存儲(chǔ)于物理內(nèi)存或硬盤上, 操作系統(tǒng)通過(guò)維護(hù)一個(gè)頁(yè)目錄和一些頁(yè)表來(lái)留意這些頁(yè)表信息。2、頁(yè)表結(jié)構(gòu)3、頁(yè)式管理的地址映射4、頁(yè)式管理要解決的一些問(wèn)題 1如何標(biāo)識(shí)一個(gè)頁(yè)是否位于內(nèi)存中。 2當(dāng)需要從若干個(gè)已經(jīng)在內(nèi)存中的邏輯頁(yè)中選擇一個(gè)淘汰掉,那么淘汰哪一個(gè)。 3若已經(jīng)決定將某頁(yè)淘汰,但是發(fā)現(xiàn)此頁(yè)是一個(gè)臟頁(yè)〔dirtypage,即該頁(yè)被放置到內(nèi)存中后,曾經(jīng)被修改過(guò),那么如何標(biāo)識(shí)一個(gè)臟頁(yè),又如何淘汰臟頁(yè)。4從理論上來(lái)說(shuō),僅分配給該程序一個(gè)內(nèi)存塊就可以使程序運(yùn)行,這樣做會(huì)有什么后果？給一個(gè)程序分配多少個(gè)內(nèi)存塊是合適的？分配給一個(gè)程序的內(nèi)存塊數(shù)是固定的,還是隨著程序的執(zhí)行,分配給程序動(dòng)態(tài)變化的內(nèi)存塊數(shù)？在程序執(zhí)行之初,應(yīng)該初始分配給程序多少個(gè)內(nèi)存塊。 5對(duì)于較大的程序,以至于其頁(yè)表本身的大小超過(guò)一個(gè)頁(yè)的大小時(shí),如何解決頁(yè)表本身的存儲(chǔ)問(wèn)題。 6系統(tǒng)中存在多個(gè)并發(fā)進(jìn)程,每個(gè)進(jìn)程都擁有一張頁(yè)表,所有的頁(yè)表加起來(lái)會(huì)占用很多內(nèi)存空間,那么如何降低頁(yè)表所需的內(nèi)存空間。四、分段管理機(jī)制1、分段管理的基本概念 分段提供了隔絕各個(gè)代碼、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)域的機(jī)制,因此多個(gè)程序〔任務(wù)可以運(yùn)行在同一個(gè)處理器上而不會(huì)互相干擾。分段機(jī)制把處理器可尋址的線性地址空間劃分成一些較小的稱為段的受保護(hù)地址空間區(qū)域。為了定位指定段中的一個(gè)字節(jié),程序必須提供一個(gè)邏輯地址,邏輯地址包括一