《操作系統(tǒng)內(nèi)存》課件

操作系統(tǒng)內(nèi)存操作系統(tǒng)內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)內(nèi)存資源的分配和使用。內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)和程序的硬件資源，操作系統(tǒng)需要合理地管理內(nèi)存，才能保證程序正常運行。什么是內(nèi)存計算機系統(tǒng)的核心組件內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的核心組件，是CPU直接訪問和操作的區(qū)域。臨時存儲內(nèi)存是一種易失性存儲器，數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中時，當(dāng)電源關(guān)閉，數(shù)據(jù)就會丟失。高速訪問內(nèi)存的訪問速度非?？?，CPU可以快速從內(nèi)存中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，從而提高計算機的運行速度。內(nèi)存的基本結(jié)構(gòu)主板主板是電腦的核心部件，提供內(nèi)存和其他硬件的連接接口。內(nèi)存條內(nèi)存條是電腦的臨時存儲器，用于存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存芯片內(nèi)存芯片是內(nèi)存條的核心組件，用于存儲數(shù)據(jù)。內(nèi)存控制器內(nèi)存控制器負(fù)責(zé)管理內(nèi)存的訪問，控制內(nèi)存的讀寫操作。內(nèi)存地址空間內(nèi)存地址空間是指系統(tǒng)為每個進(jìn)程分配的邏輯地址范圍，它是一個抽象概念，用于描述內(nèi)存的組織方式和訪問方法。每個進(jìn)程都有其自己的內(nèi)存地址空間，地址空間可以是連續(xù)的，也可以是離散的，具體取決于內(nèi)存管理方案。0x0000起始地址內(nèi)存地址空間的起始地址通常為0x0000，表示內(nèi)存的第一個字節(jié)。0xFFFFFFFF結(jié)束地址內(nèi)存地址空間的結(jié)束地址通常為0xFFFFFFFF，表示內(nèi)存的最后一個字節(jié)。邏輯地址和物理地址11.邏輯地址邏輯地址由程序員使用，用于訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。22.物理地址物理地址是內(nèi)存芯片上的實際地址，由內(nèi)存控制器使用。33.轉(zhuǎn)換操作系統(tǒng)使用內(nèi)存管理單元(MMU)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。44.優(yōu)點邏輯地址和物理地址的分離提高了內(nèi)存管理的靈活性。內(nèi)存管理的目標(biāo)提高內(nèi)存利用率，減少內(nèi)存浪費。提高程序運行效率，加快程序執(zhí)行速度。保護(hù)用戶程序，防止程序相互干擾。支持程序共享，減少內(nèi)存占用空間。內(nèi)存管理的基本問題內(nèi)存碎片化內(nèi)存分配后，空閑內(nèi)存被分割成多個碎片，無法滿足較大的內(nèi)存請求。解決方法包括壓縮內(nèi)存或使用動態(tài)內(nèi)存分配算法。內(nèi)存泄漏程序分配的內(nèi)存未釋放，導(dǎo)致可用內(nèi)存越來越少。解決方法包括使用內(nèi)存跟蹤工具和編寫良好的代碼。連續(xù)內(nèi)存分配1單一連續(xù)分配程序作為一個整體分配到一塊連續(xù)的內(nèi)存空間。2固定分區(qū)分配將內(nèi)存劃分為多個固定大小的分區(qū)，每個程序只能分配到一個分區(qū)。3可變分區(qū)分配程序根據(jù)其大小動態(tài)地分配內(nèi)存空間，內(nèi)存空間可以被分割和合并。離散內(nèi)存分配1分區(qū)分配操作系統(tǒng)將內(nèi)存劃分成若干個大小不同的分區(qū)2伙伴系統(tǒng)內(nèi)存空間按2的冪次方劃分成多個大小相等的塊3頁式分配將內(nèi)存分成大小相等的頁，進(jìn)程分配內(nèi)存時分配頁4段式分配將內(nèi)存分成大小不一的段，進(jìn)程分配內(nèi)存時分配段離散內(nèi)存分配是一種將內(nèi)存劃分成多個獨立的內(nèi)存塊，然后分配給不同進(jìn)程的方式優(yōu)點：提高內(nèi)存利用率，防止內(nèi)存碎片缺點：管理復(fù)雜，可能會導(dǎo)致外部碎片頁式內(nèi)存管理頁式存儲管理將邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面，物理地址空間也劃分為大小相等的物理塊。頁面映射建立邏輯頁面與物理塊之間的映射關(guān)系，即頁表，記錄頁面的位置信息。地址轉(zhuǎn)換通過頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，訪問相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域。段式內(nèi)存管理1段式內(nèi)存管理將程序劃分為多個邏輯段2邏輯地址由段號和段內(nèi)偏移量組成3物理地址將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址4段表存儲每個段的起始地址和長度5內(nèi)存分配按段分配內(nèi)存空間段式內(nèi)存管理將程序劃分為多個邏輯段，每個段對應(yīng)一個獨立的地址空間。邏輯地址由段號和段內(nèi)偏移量組成，物理地址是通過段表將邏輯地址轉(zhuǎn)換為實際的內(nèi)存地址。段表存儲每個段的起始地址和長度，用于定位每個段在內(nèi)存中的位置。內(nèi)存分配按段進(jìn)行，每個段可以獨立地分配內(nèi)存空間。段頁式內(nèi)存管理1段頁式內(nèi)存管理結(jié)合段式和頁式管理2段表段地址映射到頁表3頁表頁地址映射到物理地址4邏輯地址由段號和段內(nèi)偏移組成段頁式內(nèi)存管理是一種將內(nèi)存分成段和頁，并使用段表和頁表進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換的內(nèi)存管理方案。段表用于將段地址映射到頁表，頁表用于將頁地址映射到物理地址。這種方案結(jié)合了段式和頁式管理的優(yōu)點，可以提高內(nèi)存利用率和程序共享能力。頁面置換算法11.頁面置換算法當(dāng)內(nèi)存中沒有足夠的空閑空間時，操作系統(tǒng)需要從內(nèi)存中選擇一個頁面來移除，以便為新的頁面騰出空間。22.頁面置換算法目標(biāo)選擇一個頁面進(jìn)行移除，最大限度地減少頁面錯誤率，提高系統(tǒng)性能。33.頁面置換算法類型常用的頁面置換算法包括：FIFO、LRU、OPT、時鐘算法。44.頁面置換算法影響不同的算法對頁面錯誤率的影響不同，需要根據(jù)具體情況選擇合適的算法。最近未使用頁面置換算法算法原理最近未使用頁面置換算法，也稱為NRU算法。該算法通過跟蹤每個頁面最后一次使用的時間來確定要替換的頁面。算法維護(hù)一個引用位，當(dāng)頁面被訪問或修改時，引用位被置位為1。算法會選擇引用位為0的頁面進(jìn)行替換。優(yōu)點該算法相對簡單易實現(xiàn)，且能夠有效地減少頁面置換次數(shù)。缺點該算法存在一定的局限性，例如對于頻繁訪問的頁面，其引用位可能始終為1，導(dǎo)致算法無法對其進(jìn)行替換。應(yīng)用場景該算法適用于一些簡單的操作系統(tǒng)環(huán)境，例如小型嵌入式系統(tǒng)。最近最少使用頁面置換算法算法概述最近最少使用(LRU)算法是一種頁面置換算法，它假設(shè)最近最少使用的頁面不太可能被再次使用。工作原理LRU算法跟蹤每個頁面最后一次訪問的時間，并選擇最長時間未訪問的頁面進(jìn)行替換。實現(xiàn)方式LRU算法可以通過使用一個頁面列表或鏈表來實現(xiàn)，該列表按最近訪問的時間排序。時鐘頁面置換算法循環(huán)指針維護(hù)一個循環(huán)指針，指向當(dāng)前要被替換的頁面。引用位每個頁面幀都有一個引用位，記錄該頁面是否被訪問過。頁面替換指針循環(huán)遍歷頁面幀，找到引用位為0的頁面，將其替換。工作集內(nèi)存管理策略工作集工作集是指進(jìn)程在一段時間內(nèi)頻繁訪問的頁面集合。工作集的大小會隨著時間推移而變化，當(dāng)進(jìn)程訪問新的頁面時，工作集會擴大，而當(dāng)進(jìn)程不再訪問某些頁面時，工作集會縮小。工作集策略工作集策略是一種內(nèi)存管理策略，它試圖將每個進(jìn)程的工作集保留在內(nèi)存中，以減少頁面置換的頻率，提高系統(tǒng)性能。策略實現(xiàn)工作集策略通常通過維護(hù)一個工作集窗口來實現(xiàn)，窗口內(nèi)的頁面會被保留在內(nèi)存中，而窗口外的頁面會被置換出去。優(yōu)勢工作集策略可以有效地減少頁面置換的頻率，提高系統(tǒng)性能，但它也需要額外的內(nèi)存空間來存儲工作集。抖動問題及其解決內(nèi)存抖動頻繁頁面置換導(dǎo)致進(jìn)程在內(nèi)存和磁盤之間頻繁切換，降低系統(tǒng)效率。原因工作集過大，導(dǎo)致頻繁頁面置換。內(nèi)存分配不足，導(dǎo)致頁面競爭。解決方案優(yōu)化工作集大小，合理分配內(nèi)存，使用更有效的頁面置換算法。內(nèi)存管理中的虛擬內(nèi)存1擴展物理內(nèi)存虛擬內(nèi)存允許操作系統(tǒng)使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，為應(yīng)用程序提供更多可用內(nèi)存。2提高內(nèi)存利用率多個進(jìn)程可以同時運行，即使它們的總內(nèi)存需求超過物理內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率。3簡化內(nèi)存管理程序員可以編寫更大內(nèi)存需求的程序，而不必?fù)?dān)心物理內(nèi)存的限制。虛擬頁式存儲器虛擬頁式存儲器是一種常用的虛擬內(nèi)存技術(shù)，它將程序的地址空間劃分為固定大小的頁，并通過頁表將這些虛擬頁映射到物理內(nèi)存中。當(dāng)程序需要訪問某個虛擬頁時，操作系統(tǒng)會檢查頁表，如果該頁已經(jīng)映射到物理內(nèi)存，則直接訪問；否則，需要進(jìn)行缺頁中斷處理，將該頁從磁盤加載到內(nèi)存中。缺頁中斷處理1缺頁中斷發(fā)生操作系統(tǒng)檢測到缺頁中斷2查找頁面操作系統(tǒng)在磁盤上查找缺失的頁面3加載頁面操作系統(tǒng)將缺失頁面加載到內(nèi)存4恢復(fù)執(zhí)行操作系統(tǒng)恢復(fù)被中斷的程序執(zhí)行缺頁中斷處理是虛擬內(nèi)存管理的核心機制之一。它允許操作系統(tǒng)在需要時將磁盤上的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中，從而擴展了系統(tǒng)可用的內(nèi)存空間。頁面置換算法性能分析頁面置換算法的性能評估指標(biāo)包括缺頁率和命中率，不同的頁面置換算法在不同場景下性能表現(xiàn)差異明顯。選擇合適的頁面置換算法對于提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)效率至關(guān)重要。缺頁率命中率內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)硬盤容量大，成本低，速度慢，用于存儲數(shù)據(jù)和程序。內(nèi)存速度快，成本高，容量小，用于存放當(dāng)前運行的程序和數(shù)據(jù)。高速緩存速度最快，成本最高，容量最小，用于存放內(nèi)存中訪問頻率最高的程序和數(shù)據(jù)。高速緩存存儲器高速緩存存儲器（Cache）是一種速度非?？斓拇鎯ζ?，它位于CPU和主內(nèi)存之間，用于存儲CPU最常訪問的數(shù)據(jù)和指令。高速緩存存儲器通常使用比主內(nèi)存更快的存儲技術(shù)，例如SRAM，并且容量較小。當(dāng)CPU需要訪問數(shù)據(jù)時，它首先檢查高速緩存存儲器，如果數(shù)據(jù)存在于緩存中，則可以直接訪問，速度非?？臁Ｈ绻麛?shù)據(jù)不存在于緩存中，則稱為緩存未命中，CPU需要從主內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，速度較慢。高速緩存存儲器的性能取決于緩存的命中率，命中率越高，性能越好。高速緩存設(shè)計原理局部性原理程序通常訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和指令具有局部性，即程序傾向于訪問最近訪問過的數(shù)據(jù)或指令。高速緩存工作原理高速緩存將一部分常用數(shù)據(jù)和指令復(fù)制到速度更快的存儲器中，以減少訪問主內(nèi)存的時間。高速緩存命中率高速緩存命中率是指訪問高速緩存時找到所需數(shù)據(jù)的概率，它決定了高速緩存的效率。高速緩存替換策略當(dāng)高速緩存已滿時，需要采用一種策略來決定哪個數(shù)據(jù)塊被替換，常用的策略包括FIFO、LRU等。高速緩存性能分析命中率緩存中找到所需數(shù)據(jù)的概率，越高越好平均訪問時間訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)的平均時間，越低越好緩存大小緩存的大小影響命中率，越大越好，但受限于成本和資源替換策略決定如何替換緩存中的數(shù)據(jù)，影響命中率存儲器管理芯片內(nèi)存控制器內(nèi)存控制器是存儲器管理芯片的核心，它負(fù)責(zé)管理內(nèi)存的訪問，包括地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)存分配等。內(nèi)存控制器通過總線與CPU和內(nèi)存之間進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)內(nèi)存訪問，保證數(shù)據(jù)的正確性和效率。緩存控制器緩存控制器負(fù)責(zé)管理高速緩存，它根據(jù)地址映射機制，將頻繁訪問的數(shù)據(jù)從主存加載到緩存中。緩存控制器通過優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問路徑，提升數(shù)據(jù)訪問速度，加速程序執(zhí)行。內(nèi)存管理硬件支持內(nèi)存管理單元(MMU)MMU負(fù)責(zé)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，并執(zhí)行地址保護(hù)功能。內(nèi)存控制器內(nèi)存控制器協(xié)調(diào)CPU、內(nèi)存和總線之間的通信，并管理內(nèi)存訪問權(quán)限。頁表頁表存儲了虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系，用于快速查找數(shù)據(jù)地址。內(nèi)存管理系統(tǒng)調(diào)用分配內(nèi)存例如，`malloc()`和`calloc()`系統(tǒng)調(diào)用允許程序請求分配新的內(nèi)存塊，并根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)分配。操作系統(tǒng)會追蹤可用內(nèi)存塊，并返回滿足要求的塊地址。釋放內(nèi)存`free()`系統(tǒng)調(diào)用允許程序釋放之前分配的內(nèi)存塊，使其可供其他進(jìn)程使用。釋放內(nèi)存塊后，操作系統(tǒng)會將其標(biāo)記為可用，以便其他進(jìn)程可以重新使用。內(nèi)存映射允許進(jìn)程將文件或設(shè)備映射到內(nèi)存地址空間，并通過內(nèi)存訪問的方式操作文件或設(shè)備。例如，使用`mmap()`系統(tǒng)調(diào)用