操作系统中存储器管理

03
访问。
存储器管理的目标和功能
存储器管理的目标是实现高效、安全、 可靠和灵活的存储器管理。
存储器管理的基本功能包括内存分配、 内存回收、内存保护和内存扩充等。
内存分配是指根据程序的需求为其分 配所需的内存空间。
内存回收是指将不再使用的内存空间 释放出来，以便其他程序使用。
内存保护是指通过内存访问权限的设置，防止 程序访问非法内存地址，保护用户数据和程序 的安全。
03
存储器管理技术
分段存储管理
总结词
分段存储管理是一种将程序划分为若干个逻辑段，并为每个段分配一个连续的内存空间 的存储管理方式。
详细描述
分段存储管理的主要优点是方便编写程序和使用内存，因为每个段可以独立分配和释放， 提高了内存利用率。然而，它也存在一些缺点，例如内存碎片化和难以实现内存保护。
页式存储管理
BSD操作系统的内存管理
BSD使用类似于Linux的内存管理机制，包 括伙伴系统算法、内存保护和共享等。
Solaris操作系统的内存管理
Solaris采用ZFS文件系统和zones技术进行内存管 理，提供灵活的资源隔离和分配。
macOS操作系统的内存 管理
macOS使用Mach微内核架构进行内存管理 ，通过虚拟化技术实现高效的资源管理和隔 离。
通过将内存划分为不同的区域，根据不同任务的需求分配相应的 内存空间，以提高内存利用率。
内存交换
当系统内存不足时，将部分内存中的数据暂时存放到硬盘上，以 释放出更多的内存空间供其他任务使用。
内存共享
多个进程或线程可以共享同一块内存区域，以减少内存占用和提 高数据访问效率。
内存压缩技术
数据压缩
通过压缩技术将内存中的数据压缩，以减少内存占用和提高存储效 率。
虚拟存储器
要点一
总结词
虚拟存储器是一种将程序使用的内存空间抽象化，使得程 序可以使用比实际物理内存更大的虚拟内存空间的存储管 理方式。
要点二
详细描述
虚拟存储器的优点是可以扩大程序的可用内存空间，提高 内存利用率和实现内存保护。此外，它还可以实现进程间 的内存共享和隔离。然而，虚拟存储器也存在一些缺点， 例如页面交换需要消耗大量时间和资源，以及实现复结词
WSPM算法选择不属于工作集的页面进行置换。
详细描述
WSPM算法选择不属于工作集的页面进行置换，以减少将来可能发生的缺页次数。工作集是指程序在某段时间内 访问的页面集合。这种方法需要记录每个页面的访问状态，实现起来相对复杂。
06
存储器管理优化
内存优化技术
内存分区
总结词
页式存储管理是一种将内存划分为固定大小的页，并将程序的各个部分分配到 不同页上的存储管理方式。
详细描述
页式存储管理的优点是内存利用率高，因为每个页可以独立分配和释放。此外， 它还可以实现内存保护和共享。然而，页式存储管理也存在一些缺点，例如页 面交换需要消耗大量时间和资源。
段页式存储管理
总结词
内存碎片问题
由于频繁的内存分配和回收，会导致内存空间被分割 成许多小块，这些小块无法满足较大对象的存储需求 ，从而造成内存浪费。
解决方案
采用内存整理技术，如标记-整理算法，来重新整理内 存空间，消除内存碎片。此外，还可以采用大内存页 技术、分页技术等来减少内存碎片的产生。
05
页面置换算法
先进先出 (FIFO)
段页式存储管理是一种结合了分段和页式存 储管理的存储管理方式。它将程序划分为若 干个逻辑段，并为每个段分配若干个连续的 页面。
详细描述
段页式存储管理的优点是结合了分段和页式 存储管理的优点，既方便编写程序和使用内 存，又提高了内存利用率和实现内存保护。 然而，它也存在一些缺点，例如实现复杂度
高，需要更多的内存管理开销。
总结词
FIFO算法选择最早进入内存的页面进行置换。
详细描述
当需要置换页面时，FIFO算法选择最早进入内存的页面 进行置换，不考虑其被访问的频率或时间。这种方法简 单易懂，但可能导致Belady现象，即增加更多的物理内 存时，缺页次数反而增加。
最久未使用 (LRU)
总结词
LRU算法选择最长时间未被使用的页 面进行置换。
内存扩充是指通过虚拟内存技术，将物理内存 和外部存储器结合使用，实现大容量内存的管 理。
02
存储器分类
随机访问存储器 (RAM)
总结词
用于临时存储运行中的程序和数据，易读写，速度快，但断电后数据会丢失。
详细描述
RAM（随机访问存储器）是计算机中最重要的存储器之一，用于存储当前正在使用或即将使用的程序和数据。由 于其易读写和速度快的特点，RAM在计算机运行中起着至关重要的作用。然而，一旦断电，RAM中的数据将会 丢失，因此不能用于长期存储数据。
详细描述
LRU算法选择最长时间未被使用的页 面进行置换，以减少将来可能发生的 缺页次数。这种方法需要记录每个页 面的使用时间，实现起来相对复杂。
最近最少使用 (NRU)
总结词
NRU算法选择最近最少使用的页面进行置换。
详细描述
NRU算法选择最近最少使用的页面进行置换，以减少 将来可能发生的缺页次数。这种方法需要记录每个页面 的使用情况，实现起来相对复杂。
内存碎片整理
定期对内存碎片进行整理，以提高内存的利用率和系 统的性能。
07
案例研究
Linux操作系统的内存管理
内存管理机制
内存分配与回收
Linux使用物理内存和虚拟内存管理机制， 通过将物理内存划分为多个页框，并使用 分页和交换机制实现虚拟内存。
Linux使用伙伴系统算法进行内存分配和回 收，该算法将物理内存划分为多个块，并 按照大小进行管理。
内存保护
内存共享
Linux通过内存保护机制，为每个进程提供 独立的内存空间，防止进程间相互干扰。
Linux支持共享内存机制，允许不同进程间 共享相同的物理内存区域，提高内存利用 率。
Windows操作系统的内存管理
内存寻址
Windows使用线性地址空间 为每个进程分配独立的地址 空间，通过地址转换机制实 现物理内存的访问。
高速缓存
总结词
用于提高存储器访问速度的快速存储器 ，通常由SRAM组成。
VS
详细描述
高速缓存是一种特殊的存储器，用于提高 存储器的访问速度。它通常由静态随机访 问存储器（SRAM）组成，具有较快的读 写速度。高速缓存通过将常用的数据存储 在接近处理器的位置来减少访问主存的次 数，从而提高计算机的性能。
压缩算法
采用高效的压缩算法，如LZ77、Huffman编码等，以在保证数据 完整性的前提下最大限度地减少内存占用。
压缩解压速度
压缩和解压速度要快，以避免对系统性能产生影响。
内存分片技术
分片管理
将内存划分为多个小片，每个小片可以独立分配给不 同的任务或进程。
动态调整
根据任务的需求动态调整每个小片的内存大小，以满 足不同任务的内存需求。
04
内存分配和回收
内存分配策略
静态内存分配
在编译时确定变量的存储位置，运行 时无法改变。优点是速度快，缺点是 不够灵活。
动态内存分配
在运行时根据需要动态地分配和回收 内存。常见的动态内存分配策略有： 首次适应、最佳适应、最坏适应和按 比例分配等。
内存回收策略
标记-清除（Mark-Sweep）
首先标记出所有活跃的对象，然后清除未被标记的对象。缺点是会产生大量内存碎片。
操作系统中存储器管理
• 引言 • 存储器分类 • 存储器管理技术 • 内存分配和回收 • 页面置换算法 • 存储器管理优化 • 案例研究
01
引言
存储器管理的重要性
01
存储器是计算机系统中的重要资源之一，用于存储程序和数据。
02
存储器管理能够有效地管理存储器，提高存储器的利用率和系
统性能。
存储器管理能够保护用户数据和程序，防止数据丢失或被非法
复制（Copying）
将所有活动对象复制到一块连续的内存区域，然后清除原内存区域的所有对象。缺点是需要额外的内 存空间。
标记-整理（Mark-Compact）
类似于标记-清除，但在清除未标记对象后，会将存活的对象移动到一端，并重新整理内存空间。优点 是避免了内存碎片问题，缺点是需要额外的移动操作。
内存碎片问题及解决方案
内存分页与分段
Windows采用分页和分段机 制，将虚拟地址空间划分为 多个页面或段，并映射到物 理内存。
内存保护
内存压缩与解压缩
Windows通过内存保护机制， 为每个进程提供独立的内存 空间，防止非法访问和破坏。
Windows支持内存压缩和解 压缩技术，以提高内存利用 率和性能。
其他操作系统的内存管理
持久性存储器 (如硬盘和闪存)
总结词
用于长期存储数据的存储器，不易损坏，断 电后数据不会丢失。
详细描述
持久性存储器是一种特殊的存储器，用于长 期存储数据。常见的持久性存储器包括硬盘 和闪存等。这些存储器具有较大的容量和较 慢的读写速度，但它们不易损坏且断电后数 据不会丢失。因此，它们常用于存储重要且 需要长期保存的数据。
只读存储器 (ROM)
总结词
存储固定不变的程序和数据，只能读取不能写入，断电后数据不会丢失。
详细描述
ROM（只读存储器）是一种特殊的存储器，用于存储固定不变的程序和数据。与RAM不同，ROM只能 读取数据而不能写入数据。由于ROM中的数据是固定的，因此它常用于存储固件、操作系统内核等重要 且不变的信息。断电后，ROM中的数据不会丢失。
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