《存儲器管理》課件

存儲器管理存儲器管理是操作系統(tǒng)中的一個重要模塊,負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源,確保程序能夠安全、高效地訪問內(nèi)存。課程簡介課程目標(biāo)本課程旨在全面介紹計(jì)算機(jī)存儲器的分類、層次結(jié)構(gòu)及其管理機(jī)制,幫助學(xué)生深入理解內(nèi)存管理的原理和實(shí)現(xiàn)。知識涵蓋課程將涵蓋主存儲器管理、虛擬存儲器管理、文件存儲管理等內(nèi)容,為學(xué)生奠定扎實(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)。課程安排該課程將通過深入淺出的PPT講解、實(shí)踐案例分析等方式,幫助學(xué)生全面理解存儲器管理的原理和實(shí)踐。存儲器管理概述存儲器管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它負(fù)責(zé)分配、保護(hù)和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種存儲資源,確保數(shù)據(jù)和程序能夠正確地存儲和訪問。存儲器管理涉及主存儲器、虛擬存儲器以及外部存儲器等各個層次。存儲器管理的主要目標(biāo)是提高存儲資源的利用率,并確保系統(tǒng)的可靠性、安全性和實(shí)時性。它需要解決諸如地址映射、內(nèi)存分配、頁面置換等復(fù)雜問題,是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。存儲器分類主存儲器主存儲器又稱為內(nèi)存或RAM，用于存儲程序和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速訪問。輔助存儲器也稱為外存，包括硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等，用于長期存儲大量數(shù)據(jù)。高速緩存位于CPU和主存之間，用于減少CPU訪問主存的延遲。寄存器位于CPU內(nèi)部，用于存儲少量數(shù)據(jù)和地址信息，速度最快。存儲器層次結(jié)構(gòu)1主存儲器主存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最快的存儲設(shè)備,用于存儲正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。它通常采用DRAM或SRAM技術(shù)制造。2緩存存儲器緩存存儲器位于CPU和主存儲器之間,用于緩存頻繁訪問的數(shù)據(jù)和指令,提高訪問速度。緩存分為L1、L2和L3三級。3輔助存儲器輔助存儲器通常指硬盤、光盤等二級存儲設(shè)備,用于存儲大容量但訪問速度較慢的數(shù)據(jù)。它們通過I/O總線與CPU連接。主存儲器管理1內(nèi)存分配根據(jù)進(jìn)程需求動態(tài)分配內(nèi)存2內(nèi)存保護(hù)防止進(jìn)程間內(nèi)存非法訪問3內(nèi)存回收及時回收不再使用的內(nèi)存塊主存儲器管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它負(fù)責(zé)將內(nèi)存空間合理分配給各個進(jìn)程,保護(hù)進(jìn)程間內(nèi)存的隔離,并及時回收不再使用的內(nèi)存塊,確保系統(tǒng)內(nèi)存資源的高效利用。這些功能的實(shí)現(xiàn)是操作系統(tǒng)提供虛擬內(nèi)存機(jī)制的基礎(chǔ)。地址轉(zhuǎn)換機(jī)制1虛擬地址空間每個進(jìn)程都有獨(dú)立的虛擬地址空間,為程序訪問內(nèi)存提供了統(tǒng)一的視圖。2硬件支持處理器通過地址轉(zhuǎn)換機(jī)制,將虛擬地址映射到物理內(nèi)存地址,實(shí)現(xiàn)內(nèi)存管理。3頁表與段表操作系統(tǒng)維護(hù)頁表和段表,記錄虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系。4動態(tài)重定位地址轉(zhuǎn)換允許進(jìn)程動態(tài)獲取和釋放內(nèi)存,提高內(nèi)存利用率。虛擬存儲器概述虛擬存儲器是一種將物理內(nèi)存和輔助存儲器（通常是硬盤）結(jié)合起來的存儲器管理技術(shù)。它可以為每個進(jìn)程提供一個連續(xù)的地址空間,簡化了程序的開發(fā)與管理。虛擬存儲器的核心是通過頁式或段式管理,實(shí)現(xiàn)物理內(nèi)存和輔助存儲器之間的動態(tài)映射,根據(jù)需求動態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)載入內(nèi)存,提高了內(nèi)存利用率和系統(tǒng)性能。頁式虛擬存儲器地址空間分割頁式虛擬存儲器將進(jìn)程的地址空間劃分為固定大小的頁面,并將其映射到物理內(nèi)存的頁框上。頁表管理操作系統(tǒng)使用頁表來跟蹤每個頁面的物理位置,并進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。頁面置換當(dāng)物理內(nèi)存不足時,操作系統(tǒng)會使用頁面置換算法將部分頁面換出到輔助存儲器。靈活性頁式虛擬存儲器可以根據(jù)進(jìn)程需求動態(tài)分配和管理物理內(nèi)存,提高內(nèi)存利用率。頁面置換算法FIFO（先進(jìn)先出）根據(jù)進(jìn)入內(nèi)存的先后順序進(jìn)行頁面置換，淘汰最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面。簡單易實(shí)現(xiàn)，但可能會淘汰仍有使用價值的頁面。LRU（最近最少使用）淘汰近期最長時間未使用的頁面。能更好地反映頁面的使用情況，但需要記錄每個頁面的使用歷史，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。OPT（最優(yōu)置換）淘汰未來最長時間內(nèi)不會被訪問的頁面。能提供最優(yōu)性能，但需要預(yù)知未來訪問情況，無法實(shí)際實(shí)現(xiàn)。NRU（不經(jīng)常使用）基于頁面的使用和修改情況進(jìn)行淘汰。簡單高效，但可能會淘汰仍有使用價值的頁面。工作集理論1活躍頁面進(jìn)程在執(zhí)行過程中實(shí)際訪問的頁面集合2工作集在一定時間窗口內(nèi)進(jìn)程訪問的頁面集合3頁面置換策略根據(jù)工作集大小調(diào)整頁面置換策略工作集理論是一種動態(tài)管理內(nèi)存的方法。它根據(jù)進(jìn)程在一定時間窗口內(nèi)訪問頁面的情況,動態(tài)調(diào)整頁面置換策略,盡量保證進(jìn)程能訪問到所需的活躍頁面,提高內(nèi)存利用效率。段式虛擬存儲器段式概念段式虛擬存儲器將進(jìn)程的地址空間劃分為不同大小的段。每一段都作為獨(dú)立的可交換單元，使用基地址加偏移量進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。地址轉(zhuǎn)換機(jī)制段式存儲管理通過段表記錄每個段的基地址和長度信息，完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。缺頁處理當(dāng)訪問一個不在內(nèi)存的段時會發(fā)生缺頁中斷。操作系統(tǒng)需要將該段調(diào)入內(nèi)存并更新段表，然后重新執(zhí)行指令。段頁式虛擬存儲器1結(jié)合分段與分頁段頁式虛擬存儲器結(jié)合了分段和分頁兩種虛擬存儲器管理技術(shù),將地址空間劃分為不同大小的段,并將每個段進(jìn)一步劃分為固定大小的頁面。2靈活性和高效性該方法結(jié)合了段和頁的優(yōu)勢,既能提高空間利用率,又能減少內(nèi)存碎片,具有較高的靈活性和效率。3地址轉(zhuǎn)換機(jī)制通過段頁式地址轉(zhuǎn)換機(jī)制,可以將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址,進(jìn)而訪問對應(yīng)的物理內(nèi)存單元。4管理復(fù)雜性段頁式虛擬存儲器管理相比單一的分段或分頁方式更為復(fù)雜,需要專門的操作系統(tǒng)支持。儲存空間分配策略連續(xù)分配將進(jìn)程的所有頁面或段連續(xù)分配在主存中,提高訪存效率,但可能會造成外部碎片。分散分配將進(jìn)程的頁面或段分散存放在主存中,可以減少外部碎片,但訪存效率降低。混合分配結(jié)合連續(xù)分配和分散分配的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)進(jìn)程特點(diǎn)采用不同的分配策略。存儲器分配算法首次適配法(FirstFit)從內(nèi)存起始位置開始搜索,找到第一個大小合適的空閑塊分配給進(jìn)程。實(shí)現(xiàn)簡單,但可能產(chǎn)生內(nèi)部碎片。最佳適配法(BestFit)從所有可用空間中找到最小的滿足要求的空閑塊分配給進(jìn)程。降低內(nèi)部碎片,但可能增加搜索時間。最差適配法(WorstFit)從所有可用空間中找到最大的滿足要求的空閑塊分配給進(jìn)程?？赡墚a(chǎn)生更多的內(nèi)部碎片,但可以保持更多的大塊空間。鄰近適配法(NextFit)類似于首次適配法,但記錄上次分配的位置,從上次分配的下一個位置開始搜索?？梢詼p少內(nèi)存掃描時間。抖動問題及解決方法性能降低內(nèi)存抖動會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能和響應(yīng)速度。內(nèi)存使用效率低頻繁的內(nèi)存頁面置換和硬盤讀寫會浪費(fèi)大量的內(nèi)存資源。系統(tǒng)不穩(wěn)定抖動會引發(fā)系統(tǒng)頻繁的異常情況和崩潰問題。內(nèi)存抖動是指在虛擬存儲器系統(tǒng)中,內(nèi)存頁面頻繁地在內(nèi)存和磁盤之間來回交換,導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降的現(xiàn)象。這是由于工作集大小超出了可用內(nèi)存的限制所致。解決抖動的關(guān)鍵在于合理地調(diào)整內(nèi)存分配策略,提高內(nèi)存使用效率。共享內(nèi)存管理訪問共享內(nèi)存多個進(jìn)程可以通過映射共享內(nèi)存區(qū)域來訪問和共享數(shù)據(jù)，提高程序效率。并發(fā)控制為了避免多線程訪問共享資源時出現(xiàn)沖突和數(shù)據(jù)不一致，需要采取適當(dāng)?shù)牟l(fā)控制措施。內(nèi)存分配策略系統(tǒng)需要合理分配共享內(nèi)存，平衡各進(jìn)程的需求，提高內(nèi)存利用率。安全性保證對共享內(nèi)存的訪問需要進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限控制,防止非法讀寫操作。內(nèi)存訪問保護(hù)機(jī)制權(quán)限控制通過設(shè)置內(nèi)存頁面的訪問權(quán)限(讀、寫、執(zhí)行)來控制進(jìn)程對內(nèi)存的訪問權(quán)限,防止非法訪問。隔離內(nèi)存將內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)內(nèi)存空間隔離,進(jìn)程只能訪問自身的內(nèi)存空間,避免越權(quán)訪問。頁面保護(hù)利用頁表機(jī)制,將內(nèi)存頁面標(biāo)記為只讀、不可執(zhí)行等,防止進(jìn)程對這些頁面進(jìn)行非法操作。實(shí)時性要求下的內(nèi)存管理及時響應(yīng)在實(shí)時系統(tǒng)中,內(nèi)存管理必須能夠在固定的時間內(nèi)完成任務(wù),以確保系統(tǒng)及時響應(yīng)用戶需求。優(yōu)先級調(diào)度實(shí)時系統(tǒng)中的進(jìn)程有不同的優(yōu)先級,內(nèi)存管理必須根據(jù)優(yōu)先級安排內(nèi)存分配和回收。最小化開銷內(nèi)存管理的各項(xiàng)操作,如頁面置換、內(nèi)存分配等,都需要盡量減少時間開銷,避免影響系統(tǒng)實(shí)時性。外存儲器管理外存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除主存以外的所有存儲設(shè)備,包括磁盤、光盤、磁帶等。外存儲器管理涉及文件管理、磁盤調(diào)度、緩存管理等多個方面,確保存儲設(shè)備的高效利用和數(shù)據(jù)安全。外存儲器管理的主要任務(wù)包括:合理分配存儲空間、優(yōu)化磁盤訪問順序、緩存常用數(shù)據(jù)等,提高整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和可靠性。同時還需要保護(hù)文件不被非法訪問或修改,確保數(shù)據(jù)安全。磁盤管理概述磁盤存儲結(jié)構(gòu)磁盤由多個圓盤組成,每個圓盤表面分為多個磁道,每個磁道又分為多個扇區(qū),這些構(gòu)成了磁盤的基本存儲單元。磁盤訪問時間磁盤訪問時間包括尋道時間、旋轉(zhuǎn)延遲時間和數(shù)據(jù)傳輸時間,是決定磁盤性能的關(guān)鍵。磁盤調(diào)度算法為提高磁盤利用率和訪問效率,操作系統(tǒng)需要采用合適的磁盤調(diào)度算法,如先來先服務(wù)、最短尋道時間優(yōu)先等。磁盤緩存管理操作系統(tǒng)通過緩存管理技術(shù),如預(yù)讀、寫回等,可以進(jìn)一步提高磁盤的訪問性能。磁盤調(diào)度算法尋道時間優(yōu)化磁盤調(diào)度算法旨在最小化磁頭尋道時間,提高磁盤IO效率。不同算法采用不同的策略來安排請求的執(zhí)行順序。隊(duì)列調(diào)度策略調(diào)度算法根據(jù)請求隊(duì)列中的請求位置信息,制定執(zhí)行順序,如先來先服務(wù)、最短尋道時間優(yōu)先等。分區(qū)調(diào)度策略將磁盤空間劃分為多個區(qū)域,針對每個區(qū)域采用不同的調(diào)度算法,提高整體調(diào)度效率。緩存管理1提高存取效率緩存管理通過將頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲在快速的存儲介質(zhì)中,可以大幅提高系統(tǒng)的整體訪問速度。2數(shù)據(jù)預(yù)取與淘汰緩存管理包括根據(jù)訪問模式主動預(yù)取數(shù)據(jù),并根據(jù)替換算法淘汰閑置數(shù)據(jù)的機(jī)制。3硬件與軟件協(xié)作高效的緩存管理需要操作系統(tǒng)軟件與硬件存儲設(shè)備緊密協(xié)作,利用各自的優(yōu)勢。4性能優(yōu)化至關(guān)重要對于現(xiàn)代復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)來說,緩存管理是性能優(yōu)化的關(guān)鍵所在,直接影響整體系統(tǒng)的吞吐量。文件管理文件創(chuàng)建根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)要求,創(chuàng)建各種類型的文件。確保文件信息完整、格式規(guī)范、易于管理和訪問。文件操作提供對文件的打開、讀寫、修改和關(guān)閉等基本操作。確保文件內(nèi)容的安全性和一致性。文件組織采用合理的目錄結(jié)構(gòu)和命名規(guī)則,便于用戶快速定位和管理文件。支持文件的分類、搜索和備份。文件共享支持多用戶之間的文件共享和協(xié)作,并設(shè)置適當(dāng)?shù)脑L問權(quán)限控制,確保文件安全性。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1層次結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)通常采用層次結(jié)構(gòu)組織文件和目錄,從根目錄開始一直到各個子目錄和文件。這種結(jié)構(gòu)清晰直觀,方便管理和查找。2目錄管理目錄記錄了文件的位置、屬性和訪問權(quán)限等信息。系統(tǒng)通過目錄結(jié)構(gòu)提供文件的組織和訪問功能。3元數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)還需要管理文件創(chuàng)建時間、修改時間、大小、所有者等元數(shù)據(jù),用于文件檢索和管理。文件存儲分配策略連續(xù)分配文件連續(xù)存儲在磁盤上,讀取時無需尋道,訪問效率高。但會產(chǎn)生內(nèi)部碎片浪費(fèi)存儲空間。鏈?zhǔn)椒峙湮募枣湵硇问酱鎯?通過指針鏈接各個邏輯塊?？伸`活分配空間,但讀寫性能較差。索引分配文件通過索引塊管理存儲位置,可快速定位文件各部分,適用于大文件管理。但需要額外的索引空間。文件共享與保護(hù)文件共享文件共享允許多個用戶訪問和修改同一個文件。這可以提高工作效率,但也需要妥善管理權(quán)限。訪問控制機(jī)制通過用戶身份驗(yàn)證和權(quán)限控制,可以確保每個用戶只能執(zhí)行被授權(quán)的文件操作。版本管理版本控制系統(tǒng)可以跟蹤文件的修改歷史,避免文件的誤刪和覆蓋,確保文件的完整性。文件系統(tǒng)安全1訪問控制通過文件和目錄權(quán)限管理,對用戶訪問權(quán)限進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保只有授權(quán)用戶能訪問相關(guān)文件。2加密保護(hù)采用文件加密技術(shù),對敏感文件進(jìn)行加密保護(hù),防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和泄露。3身份驗(yàn)證要求用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證后才能訪問文件系統(tǒng),從而確保只有合法用戶才能獲得訪問權(quán)限。4審計(jì)跟蹤記錄文件系統(tǒng)的訪問和操作情況,以便及時發(fā)現(xiàn)和追查非法行為。設(shè)備管理I/O設(shè)備管理操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理各種I/O設(shè)備,如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等,確保它們能與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)順利交互。設(shè)備驅(qū)動程序每種I/O設(shè)備都需要特定的設(shè)備驅(qū)動程序,操作系統(tǒng)通過驅(qū)動程序與設(shè)備進(jìn)行溝通和控制。設(shè)備分配策略操作系統(tǒng)會根據(jù)用戶需求合理分配設(shè)備資源,并采取相應(yīng)的調(diào)度算法來管理設(shè)備的使用。故障處理當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時,操作系統(tǒng)需要及時檢測并進(jìn)行故障診斷和處理,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。輸入輸出設(shè)備管理多樣化設(shè)備管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要管理各種輸入和輸出設(shè)備,包括鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀等。每種設(shè)備都有特定的驅(qū)動程序和接口標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的設(shè)備接口操作系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)一的設(shè)備接口層,