《操作系统内存》PPT课件
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磁盘缓存：依托于固定磁盘，提供对主存储器 存储空间的扩充
寄存器和主存（包括高速缓存、主存储器、磁 盘缓存）又被称为可执行存储器
磁盘、可移动存储介质：GB级到PB级、低速、 价廉、不易变
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5
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
为实现进程对换，系统必须实现的功能:
1. 对换空间管理 2. 进程的换出 3. 进程的换入
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39
对换空间管理
在具有对换功能的OS中，通常把硬盘空间分 为文件区和对换区两部分。文件区占大部分， 访问频率低。交换区占小部分，用于存放内存 中换出的进程。
对换空间管理的主要目标：
文件区管理的主要目标：首先是提高文件存储空间 的利用率，然后才是提高对文件的访问速度
若每个分区的大小固定，会造成存储空间浪费。
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20
固定分区分配
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21
动态分区分配
根据进程的实际需要动态分配内存空间
1. 动态分区分配中的数据结构 2. 动态分区分配算法 3. 分区分配操作
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22
动态分区分配
1. 动态分区分配 中的数据结构
空闲分区表或 空闲分区链
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5、内存
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1
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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2
存储器的多层结构
多层结构存储器系统产生的原因：无法同 时满足三个条件：
2. 进程换出过程
申请对换空间。若申请成功就启动磁盘，将该进程 的程序和数据传送到磁盘的对换区上。
若传送过程未出现错误，则回收进程所占用的内存 空间，并对进程控制块和内存分配表等数据结构做 相应的修改。
若内存中还有阻塞进程，则继续执行换出过程。
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43
进程的换入
对换进程将定时执行换入操作
早期的分时系统中的对换技术：所有的用 户作业放在磁盘上，每次调一个作业进内 存，当时间片用完后再调至外存的后备队 列，再从后备队列中调另一个作业进内存 。已废弃。
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37
多道程序环境
多道程序环境：
内存中的某些进程由于某事件尚未发生而被阻 塞运行，但占用大量内存空间，甚至可能出现 内存中所有进程都被阻塞。
存储器的速度与处理机的速度相匹配（因为许 多指令涉及存储器访问）
存储器具有非常大的容量 存储器的价格很便宜
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3
存储器的层次结构
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4
存储器的层次结构
寄存器、高速缓存：少量的、非常快速、昂贵、 易变；高速缓存是介于寄存器和存储器之间的 存储器
主存储器：GB级、中等速度、中等价格、易 变
首次适应算法：选择分区时总是按地址从高到低搜 索。
循环首次适应算法：类似首次适应法每次分区时， 总是从上次查找结束的地方开始。
最佳适应算法：在空闲块表中找到一个不小于请求 的最小空块进行分配
最坏适应算法：在空闲块表中找到一个不小于请求 的最大空块进行分配
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28
基于索引搜索的分区分配算法
原因：“根据申请空间查找对应的空闲分区链 表表头指针”这个操作当表项多时速度慢
算法先构造一张以空闲分区大小为关键字的哈 希表，再根据所需空闲分区大小，通过哈希函 数计算，得到在哈希表中的位置，从而得到响 应的空闲分区链表。
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31
可重定位分区分配
连续分配方式的特点：一个程序必须装入一片 连续的内存空间。当计算机运行一段时间后， 内存空间将会分割成许多小分区，缺乏大的空 闲空间。
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44
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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45
离散存储管理方式
连续分配的存储管理方式 存在碎片问题。 使用“紧凑”技术可以解决这个问题，但 时间代价较高。
离散分配：给一个进程分配许多不相邻的 分区。
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46
离散分配的类型
分页：内存空间分成固定大小的物理块（ frame，如1KB ）。用户程序的地址空间分 为同样大小的区域，称为页。从0开始编制 页号，页内地址是相对于0编址。
分段：用户程序分成大小不同的段，每段 定义一组相对完整的信息。存储器分配以 段为单位。
① 回收区与插入点的前一个空闲分区F1相邻接 ② 回收分区与插入点的后一空闲分区F2相邻接 ③ 回收区同时与插入点的前、后两个分区邻接 ④ 回收区既不与F1邻接，又不与F2邻接
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25
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26
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27
基于顺序搜索的分区分配算法
为了实现动态分区分配，通常是将系统中的空 闲分区链接成一个链。顺序搜索，是指依次搜 索空闲分区链上的空闲分区，寻找一个大小能 满足要求的分区。
23
动态分区分配
2. 动态分区分配算法
传统的顺序式搜索算法 索引式搜索算法
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24
动态分区分配
3. 分区分配操作
分配内存：根据分配算法，从空闲分区表中找 到合适的分区。若分区大小比请求空间大（超 过分区最小极限值），则对分区进行分割。
回收内存：当进程运行完毕释放内存时，系统 根据回收区的首地址，合并回收进空闲分区表
2. 便于实现对目标模块的共享：OS很容易将一 个目标模块，链接到几个应用模块上，实现 多个应用程序对该模块的共享。
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13
程序运行时的动态链接方式
某些模块有时不需要运行，如异常处理模 块。
需要用到的模块才进行链接。 优点：
1. 加快程序的装入过程：凡在执行过程中未被 用到的目标模块，都不会被调入内存和被链 接到装入模块上。
程序中的逻辑地址从0 地址开始
适用于多道程序环境 地址转换在程序装入
时一次完成，不再改 变
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9
动态重定位装入方式
静态装入不适用于进程切换，每次换入的 内存位置可能不同
程序装入时保留相对地址，程序执行时进 行地址转换
需要重定位寄存器加速地址转换
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10
程序的静态链接方式
在程序运行之前，先将各目标模块及它们 所需的库函数，链接成一个完整的装配模 块，以后不再拆开。
2. 节省内存空间：仅装入运行所需要的模块。
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14
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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15
连续分配存储管理方式
连续分配指为一个程序分配一个连续的内 存空间。连续分配方式分为四类：
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 动态重定位分区分配
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16
单一连续分配
单道程序环境下 内存分为系统区和用户区 系统区仅提供给OS使用，在内存的低址部分 用户区仅装有一道用户程序，即整个内存的用
户空间由该程序独占 缺点：
当系统很大时，系统中的内存分区可能会很多 ，相应的空闲分区链就可能很长，这时采用顺 序搜索分区方法可能会很慢。
1. 快速适应算法：相同容量的分区使用一个空闲 分区链表，所有链表的头指针通过一张管理索 引表访问。
根据进程长度从索引表中找到合适的空闲分区链 表
从链表中取第一块分区进行分配，不对分区进行 分割
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6
对用户程序的处理步骤
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7
绝对装入方式
程序中的逻辑地址和实际内存地址一致 适用于仅能运行单道程序的小系统 程序中的绝对地址可由程序员直接给出
要求熟悉内存使用 数据结构或程序修改后可能要改程序中的很多
处地址
绝对地址也可由程序编译器转换得出
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8
静态重定位装入方式
查看PCB集合中所有进程的状态，为“就绪” 已换出且换出时间最久的进程申请内存；
如果申请成功，则将进程调入内存；如果失败 ，则需先将内存中的某些进程换出，腾出足够 的内存空间后，再将进程调入。
若还有可换入的进程，则继续执行换入过程， 直到再无“就绪且换出”状态的进程，或已无 足够的内存来换入进程。
返回分区号和首地址
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35
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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36
对换
又称为交换技术，在内存和外存间交换数 据，用于解决内存太小的问题。
不支持多道 主存利用率不高 程序的运行受主存容量限制
Hale Waihona Puke 精选PPT17固定分区分配
多道程序环境下 整个用户空间划分为若干个固定大小的区
域 每个分区中只装入一道作业
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18
固定分区分配
1. 划分分区的方法
分区大小相等：所有的内存分区大小相等，缺 点是缺乏灵活性.
分区大小不等：存储器分区划分为若干个大小 不等的分区.
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11
程序的静态链接方式
1. 修改各模块的起始地址 2. 修改模块中所有涉及相对地址的指令
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12
程序装入时的动态链接方式
程序编译后所得到的一组目标模块，装入 目标模块时，若发生外部模块调用，装入 程序将外部模块调入内存，同时修改目标 模块中的相对地址。
优点：
1. 便于修改和更新：因为各目标模块是分开存 放的。
对换空间管理的主要目标：是提高进程换入和换出 的速度，然后才是提高文件存储空间的利用率.
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40
对换空间管理
对换区空闲盘块管理中的数据结构
与内存在动态分区分配方式中所用数据结构相 似，即同样可以用空闲分区表或空闲分区链。 在空闲分区表的每个表目中，应包含两项：对 换区的首址及其大小，分别用盘块号和盘块数 表示。
某些进程因内存空间不足，一直不能运行
把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不 用的程序和数据换出到外存上；再把已具 备运行条件的进程或进程所需要的程序和 数据换入内存。
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38
对换的类型
1. 整体对换：即处理机中级调度。以进程为 对换单位。
2. 页面（分段）对换 ：以进程的 “页面”或 “分段”为单位进行对换。
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19
固定分区分配
2. 内存分配
建立分区使用表，记录每个分区的起始地址、大小 及状态（是否已分配）。
当用户程序装入时，由内存分配程序依据程序大小 检索该表，从中找出一个能满足要求的、尚未分配 的分区，将之分配给该程序，然后将该表项中的状 态置为“已分配”。
若未找到大小足够的分区，则拒绝为该用户程序分 配内存。
时间性能比顺序搜索高，空间利用存在浪费
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29
基于索引搜索的分区分配算法
2. 伙伴系统：初始内存是一个大小为2m的空闲 分区，分区可以对半分割，分区大小均为2 的 k次幂。
若申请长度为n的内存空间（2i-1<n≤2i），则找一 个大小为2j的空闲块，j≥i。若j>i，则把空闲块分 为2j-1、2j-2、…、2i、2i的块，并把其中2i的块分配 给进程。
若回收大小为2i的空闲块，要查询是否存在另一 个大小为2i的空闲块，若有则需合并成2i+1的空闲 块。
时间性能高于顺序搜索，低于快速适应算法。空 间利用率优于快速适应算法，低于顺序搜索。
多处理机系统中广泛应用。
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30
基于索引搜索的分区分配算法
3. 哈希算法：改良上述两种索引搜索方法。
装入大作业的方法：移动内存中的所有作业使 之相邻。这样把原来分散的多个小分区拼接成 一个大分区，就可把大作业装入。
技术需求：紧凑、动态重定位、动态重定位分 区分配算法
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32
可重定位分区分配
紧凑
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33
可重定位分区分配
动态重定位
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34
可重定位分区分配
动态重定位 分区分配算法
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41
对换空间管理
对换空间的分配与回收
由于对换分区的分配采用的是连续分配方式， 因而对换空间的分配与回收，与动态分区方式 时的内存分配与回收方法雷同。
分配算法可以是首次适应算法、循环首次适应 算法或最佳适应算法等.
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42
进程的换出
1. 选择被换出的进程
首先选择处于阻塞状态或睡眠状态的进程 其次选择优先级最低的进程
寄存器和主存（包括高速缓存、主存储器、磁 盘缓存）又被称为可执行存储器
磁盘、可移动存储介质：GB级到PB级、低速、 价廉、不易变
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5
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
为实现进程对换，系统必须实现的功能:
1. 对换空间管理 2. 进程的换出 3. 进程的换入
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39
对换空间管理
在具有对换功能的OS中，通常把硬盘空间分 为文件区和对换区两部分。文件区占大部分， 访问频率低。交换区占小部分，用于存放内存 中换出的进程。
对换空间管理的主要目标：
文件区管理的主要目标：首先是提高文件存储空间 的利用率，然后才是提高对文件的访问速度
若每个分区的大小固定，会造成存储空间浪费。
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20
固定分区分配
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21
动态分区分配
根据进程的实际需要动态分配内存空间
1. 动态分区分配中的数据结构 2. 动态分区分配算法 3. 分区分配操作
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22
动态分区分配
1. 动态分区分配 中的数据结构
空闲分区表或 空闲分区链
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5、内存
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1
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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2
存储器的多层结构
多层结构存储器系统产生的原因：无法同 时满足三个条件：
2. 进程换出过程
申请对换空间。若申请成功就启动磁盘，将该进程 的程序和数据传送到磁盘的对换区上。
若传送过程未出现错误，则回收进程所占用的内存 空间，并对进程控制块和内存分配表等数据结构做 相应的修改。
若内存中还有阻塞进程，则继续执行换出过程。
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进程的换入
对换进程将定时执行换入操作
早期的分时系统中的对换技术：所有的用 户作业放在磁盘上，每次调一个作业进内 存，当时间片用完后再调至外存的后备队 列，再从后备队列中调另一个作业进内存 。已废弃。
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37
多道程序环境
多道程序环境：
内存中的某些进程由于某事件尚未发生而被阻 塞运行，但占用大量内存空间，甚至可能出现 内存中所有进程都被阻塞。
存储器的速度与处理机的速度相匹配（因为许 多指令涉及存储器访问）
存储器具有非常大的容量 存储器的价格很便宜
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3
存储器的层次结构
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4
存储器的层次结构
寄存器、高速缓存：少量的、非常快速、昂贵、 易变；高速缓存是介于寄存器和存储器之间的 存储器
主存储器：GB级、中等速度、中等价格、易 变
首次适应算法：选择分区时总是按地址从高到低搜 索。
循环首次适应算法：类似首次适应法每次分区时， 总是从上次查找结束的地方开始。
最佳适应算法：在空闲块表中找到一个不小于请求 的最小空块进行分配
最坏适应算法：在空闲块表中找到一个不小于请求 的最大空块进行分配
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28
基于索引搜索的分区分配算法
原因：“根据申请空间查找对应的空闲分区链 表表头指针”这个操作当表项多时速度慢
算法先构造一张以空闲分区大小为关键字的哈 希表，再根据所需空闲分区大小，通过哈希函 数计算，得到在哈希表中的位置，从而得到响 应的空闲分区链表。
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31
可重定位分区分配
连续分配方式的特点：一个程序必须装入一片 连续的内存空间。当计算机运行一段时间后， 内存空间将会分割成许多小分区，缺乏大的空 闲空间。
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44
内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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45
离散存储管理方式
连续分配的存储管理方式 存在碎片问题。 使用“紧凑”技术可以解决这个问题，但 时间代价较高。
离散分配：给一个进程分配许多不相邻的 分区。
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46
离散分配的类型
分页：内存空间分成固定大小的物理块（ frame，如1KB ）。用户程序的地址空间分 为同样大小的区域，称为页。从0开始编制 页号，页内地址是相对于0编址。
分段：用户程序分成大小不同的段，每段 定义一组相对完整的信息。存储器分配以 段为单位。
① 回收区与插入点的前一个空闲分区F1相邻接 ② 回收分区与插入点的后一空闲分区F2相邻接 ③ 回收区同时与插入点的前、后两个分区邻接 ④ 回收区既不与F1邻接，又不与F2邻接
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27
基于顺序搜索的分区分配算法
为了实现动态分区分配，通常是将系统中的空 闲分区链接成一个链。顺序搜索，是指依次搜 索空闲分区链上的空闲分区，寻找一个大小能 满足要求的分区。
23
动态分区分配
2. 动态分区分配算法
传统的顺序式搜索算法 索引式搜索算法
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动态分区分配
3. 分区分配操作
分配内存：根据分配算法，从空闲分区表中找 到合适的分区。若分区大小比请求空间大（超 过分区最小极限值），则对分区进行分割。
回收内存：当进程运行完毕释放内存时，系统 根据回收区的首地址，合并回收进空闲分区表
2. 便于实现对目标模块的共享：OS很容易将一 个目标模块，链接到几个应用模块上，实现 多个应用程序对该模块的共享。
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13
程序运行时的动态链接方式
某些模块有时不需要运行，如异常处理模 块。
需要用到的模块才进行链接。 优点：
1. 加快程序的装入过程：凡在执行过程中未被 用到的目标模块，都不会被调入内存和被链 接到装入模块上。
程序中的逻辑地址从0 地址开始
适用于多道程序环境 地址转换在程序装入
时一次完成，不再改 变
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动态重定位装入方式
静态装入不适用于进程切换，每次换入的 内存位置可能不同
程序装入时保留相对地址，程序执行时进 行地址转换
需要重定位寄存器加速地址转换
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10
程序的静态链接方式
在程序运行之前，先将各目标模块及它们 所需的库函数，链接成一个完整的装配模 块，以后不再拆开。
2. 节省内存空间：仅装入运行所需要的模块。
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内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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连续分配存储管理方式
连续分配指为一个程序分配一个连续的内 存空间。连续分配方式分为四类：
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 动态重定位分区分配
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单一连续分配
单道程序环境下 内存分为系统区和用户区 系统区仅提供给OS使用，在内存的低址部分 用户区仅装有一道用户程序，即整个内存的用
户空间由该程序独占 缺点：
当系统很大时，系统中的内存分区可能会很多 ，相应的空闲分区链就可能很长，这时采用顺 序搜索分区方法可能会很慢。
1. 快速适应算法：相同容量的分区使用一个空闲 分区链表，所有链表的头指针通过一张管理索 引表访问。
根据进程长度从索引表中找到合适的空闲分区链 表
从链表中取第一块分区进行分配，不对分区进行 分割
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6
对用户程序的处理步骤
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7
绝对装入方式
程序中的逻辑地址和实际内存地址一致 适用于仅能运行单道程序的小系统 程序中的绝对地址可由程序员直接给出
要求熟悉内存使用 数据结构或程序修改后可能要改程序中的很多
处地址
绝对地址也可由程序编译器转换得出
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8
静态重定位装入方式
查看PCB集合中所有进程的状态，为“就绪” 已换出且换出时间最久的进程申请内存；
如果申请成功，则将进程调入内存；如果失败 ，则需先将内存中的某些进程换出，腾出足够 的内存空间后，再将进程调入。
若还有可换入的进程，则继续执行换入过程， 直到再无“就绪且换出”状态的进程，或已无 足够的内存来换入进程。
返回分区号和首地址
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内存
存储器的层次结构 程序的装入和链接 连续分配存储管理方式 对换 分页存储管理方式 分段存储管理方式 虚拟存储器概述 请求分页存储管理方式 页面置换算法 “抖动”与工作集 请求分段存储管理方式
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36
对换
又称为交换技术，在内存和外存间交换数 据，用于解决内存太小的问题。
不支持多道 主存利用率不高 程序的运行受主存容量限制
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多道程序环境下 整个用户空间划分为若干个固定大小的区
域 每个分区中只装入一道作业
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18
固定分区分配
1. 划分分区的方法
分区大小相等：所有的内存分区大小相等，缺 点是缺乏灵活性.
分区大小不等：存储器分区划分为若干个大小 不等的分区.
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11
程序的静态链接方式
1. 修改各模块的起始地址 2. 修改模块中所有涉及相对地址的指令
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12
程序装入时的动态链接方式
程序编译后所得到的一组目标模块，装入 目标模块时，若发生外部模块调用，装入 程序将外部模块调入内存，同时修改目标 模块中的相对地址。
优点：
1. 便于修改和更新：因为各目标模块是分开存 放的。
对换空间管理的主要目标：是提高进程换入和换出 的速度，然后才是提高文件存储空间的利用率.
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40
对换空间管理
对换区空闲盘块管理中的数据结构
与内存在动态分区分配方式中所用数据结构相 似，即同样可以用空闲分区表或空闲分区链。 在空闲分区表的每个表目中，应包含两项：对 换区的首址及其大小，分别用盘块号和盘块数 表示。
某些进程因内存空间不足，一直不能运行
把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不 用的程序和数据换出到外存上；再把已具 备运行条件的进程或进程所需要的程序和 数据换入内存。
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对换的类型
1. 整体对换：即处理机中级调度。以进程为 对换单位。
2. 页面（分段）对换 ：以进程的 “页面”或 “分段”为单位进行对换。
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固定分区分配
2. 内存分配
建立分区使用表，记录每个分区的起始地址、大小 及状态（是否已分配）。
当用户程序装入时，由内存分配程序依据程序大小 检索该表，从中找出一个能满足要求的、尚未分配 的分区，将之分配给该程序，然后将该表项中的状 态置为“已分配”。
若未找到大小足够的分区，则拒绝为该用户程序分 配内存。
时间性能比顺序搜索高，空间利用存在浪费
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基于索引搜索的分区分配算法
2. 伙伴系统：初始内存是一个大小为2m的空闲 分区，分区可以对半分割，分区大小均为2 的 k次幂。
若申请长度为n的内存空间（2i-1<n≤2i），则找一 个大小为2j的空闲块，j≥i。若j>i，则把空闲块分 为2j-1、2j-2、…、2i、2i的块，并把其中2i的块分配 给进程。
若回收大小为2i的空闲块，要查询是否存在另一 个大小为2i的空闲块，若有则需合并成2i+1的空闲 块。
时间性能高于顺序搜索，低于快速适应算法。空 间利用率优于快速适应算法，低于顺序搜索。
多处理机系统中广泛应用。
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30
基于索引搜索的分区分配算法
3. 哈希算法：改良上述两种索引搜索方法。
装入大作业的方法：移动内存中的所有作业使 之相邻。这样把原来分散的多个小分区拼接成 一个大分区，就可把大作业装入。
技术需求：紧凑、动态重定位、动态重定位分 区分配算法
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可重定位分区分配
紧凑
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可重定位分区分配
动态重定位
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可重定位分区分配
动态重定位 分区分配算法
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对换空间管理
对换空间的分配与回收
由于对换分区的分配采用的是连续分配方式， 因而对换空间的分配与回收，与动态分区方式 时的内存分配与回收方法雷同。
分配算法可以是首次适应算法、循环首次适应 算法或最佳适应算法等.
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进程的换出
1. 选择被换出的进程
首先选择处于阻塞状态或睡眠状态的进程 其次选择优先级最低的进程