第9讲 物理内存管理：连续内存分配
深入了解Windows句柄到底是什么（句柄是逻辑指针，或者是指向结构体的指针，图文并茂，非。。。
深⼊了解Windows句柄到底是什么（句柄是逻辑指针，或者是指向结构体的指针，图⽂并茂，⾮。
总是有新⼊门的Windows程序员问我Windows的句柄到底是什么，我说你把它看做⼀种类似指针的标识就⾏了，但是显然这⼀答案不能让他们满意，然后我说去问问度娘吧，他们说不⾏⽹上的说法太多还难以理解。
今天⽐较闲，我上⽹查了查，光是百度百科词条“句柄”中就有好⼏种说法，很多叙述还是错误的，天知道这些误⼈⼦弟的⼈是想⼲什么。
这⾥我列举词条中的关于句柄的叙述不当之处，⾄于如何不当先不管，继续往下看就会明⽩:1.windows 之所以要设⽴句柄，根本上源于管理机制的问题—，简⽽⾔之数据的地址需要变动，变动以后就需要有⼈来记录管理变动，（就好像户籍管理⼀样），因此系统⽤句柄来记载数据地址的变更。
2.如果想更透彻⼀点地认识句柄，我可以告诉⼤家，句柄是⼀种指向的。
通常我们说句柄是WINDOWS⽤来标识被应⽤程序所建⽴或使⽤的对象的唯⼀整数。
这句话是没有问题的，但是想把这句话对应到具体的内存结构上就做不到了。
下⾯我们来详细探讨⼀下Windows中的句柄到底是什么。
1.虚拟内存结构要理解这个问题，⾸先不能避开Windows的虚拟内存结构。
对于这个问题已有前⼈写了⽐较好的解释，这⾥我为了保证博客连贯性，直接贴上需要的部分(原⽂是讲解JVM虚拟机的性能提升的⽂章，在其中涉及到了虚拟内存的内容，解释的⾮常好，这⾥我截取这部分略加修改，这⾥是)我们知道，CPU是通过寻址来访问内存的。
32位CPU的寻址宽度是 0~0xFFFFFFFF ，计算后得到的⼤⼩是4G，也就是说可⽀持的物理内存最⼤是4G。
但在实践过程中，碰到了这样的问题，程序需要使⽤4G内存，⽽可⽤物理内存⼩于4G，导致程序不得不降低内存占⽤。
为了解决此类问题，现代CPU引⼊了（Memory Management Unit 内存管理单元）。
MMU 的核⼼思想是利⽤虚拟地址替代物理地址，即CPU寻址时使⽤虚址，由 MMU 负责将虚址映射为物理地址。
内存相关知识总结
内存相关知识总结内存是计算机中的重要组成部分，它用于存储和访问数据和指令。
下面将就内存相关知识进行总结，包括内存的基本概念、内存的分类、内存管理、内存的优化以及内存相关的一些常见问题。
一、内存的基本概念1.内存的定义：内存是计算机中用于存储数据和指令的硬件设备，它以字节为单位进行存储和读取。
2.内存的作用：内存用于存储计算机程序和数据，在计算机运行程序时，需要将程序和数据调入内存，并在内存中进行读取和处理。
3.内存的特点：-随机访问：内存中的数据可以随机访问，不受顺序限制。
-高速读写：相比于其他存储介质，内存的读写速度非常快。
-容量有限：内存的容量是有限的，取决于计算机硬件的配置和型号。
二、内存的分类1.物理内存和虚拟内存：物理内存指的是计算机中实际存在的内存，而虚拟内存是一种扩展内存的技术，它利用硬盘空间作为虚拟内存扩展，可以将不常用的数据和指令放置在硬盘上，以释放物理内存空间。
2.主存和辅助存储器：主存是计算机中的主要存储介质，包括内存和缓存；而辅助存储器则是主存的补充，包括硬盘、光盘等存储介质。
三、内存管理内存管理是操作系统中非常重要的一部分，它负责管理内存的分配和回收，以优化内存的使用效率。
1.内存分配：操作系统通过内存分配算法将内存空间划分为多个块，并将这些块分配给进程使用。
-连续内存分配：将内存划分为固定大小的块，每个进程需要一整块连续内存空间。
-非连续内存分配：将内存划分为多个不连续的块，每个块大小不一，可以根据进程的需求进行动态分配。
2.内存回收：内存回收是指在进程结束或者不再使用其中一块内存时，将其释放给系统，以供其他进程使用。
四、内存的优化为了提高内存的利用效率和系统的性能，可以进行如下内存优化。
1.内存对齐：内存对齐是指数据在内存中存储的起始地址必须是其本身大小的整数倍，以提高内存读取的效率。
2.缓存优化：利用缓存来提高内存读取速度，常用的缓存优化方法有预取、缓存锁定和自动换页机制等。
内核物理内存分配方式
内核物理内存分配是操作系统内核管理物理内存的过程，不同的操作系统可能采用不同的内存分配方式。
一般来说，常见的内核物理内存分配方式包括以下几种：
1. 固定分区分配（Fixed Partition Allocation）：
在这种方式下，物理内存被划分为若干固定大小的分区，每个分区用于分配给特定的内核模块或任务使用。
这种方式简单直观，但会导致内存碎片问题，限制了内存的灵活利用。
2. 动态分区分配（Dynamic Partition Allocation）：
这种方式下，物理内存被动态划分为不同大小的分区，内核可以根据需要动态分配和回收这些分区。
这种方式相对灵活，但也容易产生内存碎片，并且需要更复杂的内存管理算法来进行内存分配和回收。
3. 页式内存分配（Paging）：
在页式内存管理中，物理内存和逻辑内存都被划分为固定大小的页面（Page），内核将逻辑地址空间映射到物理地址空间的页面上。
这种方式可以有效解决内存碎片问题，但需要额外的页表来进行地址映射。
4. 段式内存分配（Segmentation）：
段式内存管理将逻辑地址空间划分为若干个段（Segment），每个
段的大小可以不同，而物理内存则被划分为相应的物理段。
内核通过段描述符来管理逻辑地址到物理地址的映射关系。
在实际的操作系统中，通常会综合利用以上多种内存分配方式，例如采用页式内存管理来解决内存碎片问题，同时结合动态分区分配来处理不同大小的内存请求。
内核物理内存分配的方式取决于操作系统的设计和内存管理算法的选择，不同的内存分配方式都有各自的优缺点，需要根据具体情况进行选择和权衡。
连续分配存储管理方式
连续分配存储管理方式什么是连续分配存储管理方式连续分配存储管理方式指的是将内存空间划分为一系列连续的块，并按照一定的规则将这些块分配给进程使用。
这种存储管理方式广泛应用于操作系统中的进程管理和文件系统管理等领域。
连续分配存储管理的常见算法1. 首次适应算法（First Fit）首次适应算法是按照内存空间的地址顺序，从低地址到高地址依次查找可用的空闲块，并将进程分配到第一个满足大小要求的空闲块中。
该算法简单直接，但容易产生碎片。
2. 最佳适应算法（Best Fit）最佳适应算法是在所有可用的空闲块中选择最小且能满足进程大小要求的空闲块进行分配。
该算法能够充分利用内存空间，但是搜索过程较为复杂，效率较低。
3. 最坏适应算法（Worst Fit）最坏适应算法是在所有可用的空闲块中选择最大的空闲块进行分配，这样可以最大程度地保留大块空闲空间。
但是这种策略可能导致产生更多的碎片。
4. 快速适应算法（Next Fit）快速适应算法是首次适应算法的改进版本，在分配空闲块时，从上次分配的位置开始搜索。
这样可以避免每次都从头开始搜索，提高了搜索的效率。
连续分配存储管理的优点和缺点优点1.实现简单：连续分配存储管理算法相对而言比较简单，易于实现和理解。
2.内存利用率高：连续分配存储管理可以充分利用内存空间，减少空闲空间的浪费。
3.顺序访问性好：由于连续分配存储管理方式将内存空间划分为连续的块，所以对于顺序访问的进程来说，访问效率较高。
缺点1.碎片问题：连续分配存储管理容易产生内部碎片和外部碎片。
内部碎片是指分配给进程的内存块比进程所需的内存块大，造成内存空间浪费。
外部碎片是指内存空闲块的分布不连续，无法满足大块连续内存需求，导致内存的浪费。
2.分配效率低：由于需要搜索可用的空闲块，连续分配存储管理的分配效率相对较低。
3.控制粒度难以调整：连续分配存储管理方式中，分配块的大小通常是固定的，难以根据进程的需要进行灵活调整。
操作系统概念第七版7-9章课后题答案(中文版)
7.1假设有如图7.1所示的交通死锁。
a.证明这个例子中实际上包括了死锁的四个必要条件。
b.给出一个简单的规则用来在这个系统中避免死锁。
a.死锁的四个必要条件: (1)互斥；（2）占有并等待；（3）非抢占；（4）循环等待。
互斥的条件是只有一辆车占据道路上的一个空间位置。
占有并等待表示一辆车占据道路上的位置并且等待前进。
一辆车不能从道路上当前的位置移动开（就是非抢占）。
最后就是循环等待，因为每个车正等待着随后的汽车向前发展。
循环等待的条件也很容易从图形中观察到。
b.一个简单的避免这种的交通死锁的规则是，汽车不得进入一个十字路口如果明确地规定，这样就不会产生相交。
7.2考虑如下的死锁可能发生在哲学家进餐中，哲学家在同个时间获得筷子。
讨论此种情况下死锁的四个必要条件的设置。
讨论如何在消除其中任一条件来避免死锁的发生。
死锁是可能的，因为哲学家进餐问题是以以下的方式满足四个必要条件：1）相斥所需的筷子， 2 ）哲学家守住的筷子在手，而他们等待其他筷子， 3 ）没有非抢占的筷子，一个筷子分配给一个哲学家不能被强行拿走，4 ）有可能循环等待。
死锁可避免克服的条件方式如下： 1 ）允许同时分享筷子， 2 ）有哲学家放弃第一双筷子如果他们无法获得其他筷子，3 ）允许筷子被强行拿走如果筷子已经被一位哲学家了占有了很长一段时间4 ）实施编号筷子，总是获得较低编号的筷子，之后才能获得较高的编号的筷子。
7.3一种可能以防止死锁的解决办法是要有一个单一的，优先于任何其他资源的资源。
例如，如果多个线程试图访问同步对象A•…E，那么就可能发生死锁。
（这种同步对象可能包括互斥体，信号量，条件变量等），我们可以通过增加第六个对象来防止死锁。
每当一个线程希望获得同步锁定给对象A•••E，它必须首先获得对象F的锁.该解决方案被称为遏制：对象A•••E的锁内载对象F的锁。
对比此方案的循环等待和Section7.4.4的循环等待。
这很可能不是一个好的解决办法，因为它产生过大的范围。
第9讲物理内存管理：连续内存分配
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成
地址空间的定义 地址生成 地址检查 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
地址空间定义
■ 物理地址空间 — 硬件支持的地址空间
起始地址0，直到 MAXsys
MAXsys
MAXprog
■ 逻辑地址空间 — 在CPU运行的进程看到的地址
起始地址0， 直到 MAXprog
内存
外存
操作系统的内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟存储(virtual memory)
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟存储
■ 实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合 MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
Southwest University of Science and Technology
第9讲 物理内存管理： 连续内存分配
授课教师：马立平 联系方式：
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 计算机体系结构 内存层次 操作系统的内存管理方式
■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
MAX 进程P6
进程P5 进程P4
进程P3 进程P2
进程P1
0
最先匹配(First Fit Allocation)策略
思路：
分配n个字节，使用第 一个可用的空间比n大 的空闲块。
1K bytes
2K bytes
2K bytes
示例： 分配400字节，使用 第一个1KB的空闲块。
500 bytes
内存连续分配方式实验
内存连续分配方式实验内存连续分配是操作系统中的重要概念之一、在计算机系统中，内存分配是指将进程所需的内存空间分配给其使用，同时也需要满足内存管理的要求。
内存连续分配方式是指将进程所需的内存空间连续地划分并分配给进程。
下面将介绍内存连续分配的几种方式及实验。
1.固定分区分配方式：固定分区分配方式是将整个内存空间分为若干个大小相等的分区，并为每个分区分配一个进程。
这种分配方式适用于进程数固定或进程大小相对稳定的场景。
固定分区分配方式的优点是简单易实现，缺点是可能会造成内存空间浪费，同时，当进程数或进程大小发生变化时，需要重新划分分区，性能较差。
2.动态分区分配方式：动态分区分配方式是根据进程的实际需要动态地分配内存空间。
动态分区分配方式将内存空间划分为若干个大小不等的分区，每个分区都可以独立地分配给进程使用。
当有新进程需要内存空间时，系统会根据分区空闲情况找到合适的分区进行分配。
动态分区分配方式的优点是充分利用内存空间，缺点是可能会出现内存碎片问题。
3.伙伴系统分配方式：伙伴系统分配方式是一种动态分区分配方式的改进版本。
它将内存空间划分为若干个大小相等的块，每个块大小都是2的幂。
当有新进程需要内存空间时，系统会找到与其大小最接近的空闲块进行分配。
如果找到的块大于所需大小，则将其划分为两个大小相等的块，其中一个分配给进程，另一个留作备用；如果找到的块小于所需大小，则会继续查找更大的空闲块进行分配。
伙伴系统分配方式的优点是减少了内存碎片问题，缺点是实现较为复杂。
实验设计：1.实验目的：通过实验，测试和比较不同的内存连续分配方式在不同场景下的性能和效果。
2.实验环境：使用一台具备内存管理功能的计算机，并在上面运行操作系统。
3.实验步骤：a.首先，选择一种内存连续分配方式，如固定分区分配方式。
b.根据选择的分配方式，设置相应的分区大小和数量。
c.运行一些需要内存空间的进程，并观察它们的分配情况。
d.记录每个进程所分配到的内存空间大小和位置，以及未分配的内存空间大小和位置。
内存分配的三种方式
内存分配的三种⽅式⼀、内存基本分配可编程内存在基本上分为这样的⼏⼤部分：静态存储区、堆区和栈区。
静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运⾏期间都存在。
它主要存放静态数据、全局数据和常量。
栈区：在执⾏函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执⾏结束时这些存储单元⾃动被释放。
堆区：亦称动态内存分配。
程序在运⾏的时候⽤malloc或new申请任意⼤⼩的内存，程序员⾃⼰负责在适当的时候⽤free或delete释放内存。
动态内存的⽣存期可以由我们决定，如果我们不释放内存，程序将在最后才释放掉动态内存。
但是，良好的编程习惯是：如果某动态内存不再使⽤，需要将其释放掉，否则，我们认为发⽣了内存泄漏现象。
⼆、三者之间的区别我们通过代码段来看看对这样的三部分内存需要怎样的操作和不同，以及应该注意怎样的地⽅。
例⼀：静态存储区与栈区char* p = “Hello World1”;char a[] = “Hello World2”;p[2] = ‘A’;a[2] = ‘A’;char* p1 = “Hello World1;”这个程序是有错误的，错误发⽣在p[2] = ‘A’这⾏代码处，为什么呢？是指针变量p和变量数组a都存在于栈区的（任何临时变量都是处于栈区的，包括在main（）函数中定义的变量）。
但是，数据“Hello World1”和数据“Hello World2”是存储于不同的区域的。
因为数据“Hello World2”存在于数组中，所以，此数据存储于栈区，对它修改是没有任何问题的。
因为指针变量p仅仅能够存储某个存储空间的地址，数据“Hello World1”为字符串常量，所以存储在静态存储区。
虽然通过p[2]可以访问到静态存储区中的第三个数据单元，即字符‘l’所在的存储的单元。
但是因为数据“Hello World1”为字符串常量，不可以改变，所以在程序运⾏时，会报告内存错误。
操作系统概论：内存管理
03
在最高层（L0层），是少量的快速 CPU寄存器，CPU可以在一个时钟
周期内访问他们
05
L3层是一个大的基于DRAM的主存， 可以再几十或几百个时钟周期内访
问他们
02
在这个层次系统中，从高层到底层 （L0-L5），较低层的存储设备访
问慢，容量更大、价格更便宜
L1、L2层是一个或多个小型或中
04
型的基于SRAM的高速缓存存储器，
两级和多级页表
将页表再进行分页
反置页表
为每个页框设一个表项，表项中存 放进程号和页号
空闲页框的管理
使用位图管理空闲页框 使用空闲页框的链表
内存管理
基于分页的虚拟存储系统
虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统 在虚拟存储器系统中，进程无需全部装入，只需要装入一部分即可运行 虚拟存储技术实现的思想是，只把进程的一部分装入内存。进程执行过程中，CPU访问内存时如果发现所访问
动态分区分配
动态分区分配的流程
内存分配有内存分配程序完成。 内存不再被应用程序需要时，由系 统调用内存回收程序回收原来被占
用的内存分区
内存分配流程
内存管理
基本分页存储管理方式
01
把进程离散的 存储在内存中 物理地址不连 续的区域中， 这种内存管理 方式称为离散 内存管理方式
02
分页存储管理 的基本原理
3.程序中存在很多循环结构，他们虽然 由少数指令构成，但多次执行
4.程序中往往包括许多对数据结构的处 理，如对数组的操作，他们往往都局限 在很小的范围内。 总的来说，局部性 原理表现为时间和空间的局部性
局部性
时间局部性 如果程序中的某条指令一旦执行，
第四章 内存管理
2022/12/21
1
第四章 内存管理
4.0 问题导入
在现代操作系统中同时有多个进程在运行，每 个进程的程序和数据都需要放在内存中，那么 程序员在编写程序时是否需要知道程序和数据 的存放位置呢？
如果不知道，那么多个进程同时在内存中运 行，每个进程应占用哪些空间呢，
如何保证各个进程占用的空间不冲突呢？ 内存空间如何进行分配和管理呢？
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第四章 内存管理
4.1 内存管理概述 4.2 内存管理的基础 4.3 连续内存分配存储方式 4.4 虚拟存储
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4.1 内存管理概述
4.1.1 存储结构
存储层次
➢ CPU寄存器
➢ 辅存：固定磁盘、可移动 介质
层次越高，访问速度越快，
价格也越高，存储容量也
最小
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4.1 内存管理概述
4.1.3 操作系统在内存中的位置
图4-2 仅有RAM时操作系统与用户程序的内存分配
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4.1 内存管理概述
4.1.3 操作系统在内存中的位置
图4-3 备有ROM时操作系统和用户程序之内存分配
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4.1 内存管理概述
4.1.3 操作系统在内存中的位置
多个小分区 适量中分区 少量大分区
34
内存分配例子
分区号 大小(K) 起始地址(K) 状态
1
12
20
已分配
2
32
32
已分配
3
64
64
已分配
4
128
128
未分配
固定分区使用表
磁盘分配的三种方法
磁盘分配的三种方法磁盘分配是指将计算机系统中的磁盘空间划分为若干个逻辑部分，并为每个部分分配相应的存储空间的过程。
磁盘分配的方法有很多种，其中比较常用的有连续分配、链接分配和索引分配三种方法。
一、连续分配连续分配是最简单、最直观的一种磁盘分配方法。
它的原理是将磁盘空间划分为一系列连续的区域，每个区域称为一个分区。
在连续分配中，每个文件或目录占用一个或多个连续的磁盘分区。
当需要为文件或目录分配存储空间时，系统会为其分配一个连续的磁盘分区，当该文件或目录的大小超过已分配的磁盘分区时，系统会为其分配下一个连续的磁盘分区。
连续分配的优点是简单易实现，读写速度较快。
然而，它也存在一些问题。
首先，连续分配会造成外部碎片，即已分配的磁盘分区之间的空闲空间无法被有效利用。
其次，如果需要存储的文件或目录大小超过了连续的磁盘分区大小，就无法进行连续分配，导致无法存储。
二、链接分配链接分配是一种将文件或目录分散存储在磁盘上的分配方法。
在链接分配中，每个文件或目录占用的存储空间可以是任意的、不连续的磁盘分区。
为了实现链接分配，系统需要为每个文件或目录维护一个链接表，记录其存储空间的分散情况。
链接分配的优点是可以充分利用磁盘空间，避免了外部碎片的问题。
然而，链接分配也存在一些问题。
首先，由于文件或目录存储空间的分散，读取文件或目录时需要进行多次磁盘寻道，读写速度较慢。
其次，链接分配需要额外的链接表来记录存储空间的分散情况，增加了系统的开销。
三、索引分配索引分配是一种使用索引表来记录文件或目录存储空间分配情况的方法。
在索引分配中，系统为每个文件或目录维护一个索引表，记录其存储空间的分配情况。
索引表中的每一项对应一个存储块，记录了该存储块的地址。
索引分配的优点是可以快速定位文件或目录的存储空间，读写速度较快。
同时，索引分配也能够充分利用磁盘空间，避免了外部碎片的问题。
然而，索引分配也存在一些问题。
首先，索引表需要占用一定的存储空间，当文件数量较多时，索引表的大小会增加，增加了系统的开销。
第10讲 物理内存管理：非连续内存分配
Southwest University of Science and Technology
对应一个连续的内存“块” 若干个段组成进程逻辑地址空间
■
段访问：逻辑地址由二元组(s, addr)表示 s — 段号 addr — 段内偏移
n1+n2
s addr
0
n2
s
0 n1
addr
0
单地址实现方案
“段基址+段内偏移”实现方案
■ 页表大小问题：
页表可能非常大
64位机器如果每页1024字节，那么一个页表的大小会是多少？
■ 如何处理?
缓存（Caching） 间接（Indirection）访问
概 述
■ 非连续内存分配的需求背景
■ 段式存储管理 ■ 页式存储管理 ■ 页表
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f
页号
p
页表
页表基址 逻辑地址空间
物理地址空间
概 述
■ ■ ■ ■
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非连续内存分配的需求背景
段式存储管理 页式存储管理
页表 页表概述
快表 多级页表 反置页表
■
段页式存储管理
页表结构
■ 每个进程都有一个页表 每个页面对应一个页表项 随进程运行状态而动态变化 页表基址寄存器(PTBR: Page Table Base Register)
页寄存器方案的特征
■
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优点: 页表大小相对于物理内存而言很小 页表大小与逻辑地址空间大小无关 缺点: 页表信息对调后，需要依据帧号可找页号
分配器工作原理
分配器工作原理引言概述：分配器是计算机内存管理中的重要组成部份，它负责将可用的内存空间分配给程序使用。
了解分配器的工作原理对于理解内存管理和优化程序性能至关重要。
本文将详细介绍分配器的工作原理，包括内存分配和释放的过程、分配器的数据结构以及常见的分配算法。
一、内存分配的过程1.1 空暇列表管理- 分配器通过维护一个空暇列表来跟踪可用的内存块。
空暇列表是一个数据结构，其中记录了每一个空暇内存块的大小和地址。
- 当程序请求内存时，分配器会遍历空暇列表，查找合适大小的内存块。
如果找到合适的内存块，分配器会将其分配给程序，并更新空暇列表。
- 如果没有合适大小的内存块，分配器可能会进行内存合并，将相邻的空暇内存块合并为一个更大的块，以满足程序的需求。
1.2 内存对齐- 分配器通常会要求内存块按照特定的边界对齐。
对齐是为了提高内存访问的效率，因为许多计算机体系结构要求某些数据类型在特定地址上对齐才干正常访问。
- 当分配器从空暇列表中选择内存块时，它会考虑对齐要求，并选择满足要求的内存块。
如果没有满足对齐要求的内存块，则分配器可能会选择一个稍大的内存块，并将其分割为两部份，其中一部份满足对齐要求。
1.3 分配器的内部碎片- 内部碎片指的是已经分配给程序但未被程序彻底利用的内存空间。
这是由于分配器为了满足对齐要求而分配了比程序实际需要更大的内存块所导致的。
- 分配器可以通过使用更高级的分配算法来减少内部碎片。
例如，分配器可以使用分离空暇列表，将不同大小的内存块分别管理，以便更好地满足程序的需求。
二、内存释放的过程2.1 内存块合并- 当程序释放内存时，分配器会将该内存块标记为空暇，并尝试将相邻的空暇内存块合并为一个更大的块。
这样可以增加可用内存的大小，并减少内存碎片。
- 分配器通常会使用某种形式的合并策略，例如合并相邻的空暇块、合并连续的空暇块等。
2.2 内存回收- 为了进一步减少内存碎片，分配器可能会周期性地进行内存回收操作。
计算机操作系统第四版课后部分习题讲解
操作系统课后习题部分答案目录第一章 (1)第二章 (4)一、简答题 (4)二、综合题 (7)第三章 (14)一、问答题 (14)二、综合题 (17)第四章 (21)第五章 (26)第六章 (30)一、简答题 (30)二、综合题 (32)第七章 (33)一、简答题 (33)第八章 (34)一、简答题 (34)二、综合题 (35)第一章1. 操作系统的定义。
答：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强、适用方便的工作环境，从而在计算机和用户之间起到接口的作用。
2、设计现代OS的主要目标是什么?答：方便性：方便用户使用计算机；有效性：有效使用操作系统，让系统的资源利用率高，吞吐量达；可扩充性：方便增加新功能和模块，以及修改老的功能和模块以适应计算机硬件、体系结构和应用发展的要求；开放性：遵循设计标准规范，让操作系统与系统兼容，满足跨平台性要求。
3. OS的作用可表现在哪几个方面?答：（1）操作系统是用于计算机硬件系统之间的接口，用户并不直接与计算机硬件打交道，而是通过操作系统提供的命令、系统调用以及图形化接口来使用计算机。
（2）操作系统是计算机资源的管理者。
处理的分配和控制，内存的分配和回收，I/O设备的分配和操纵，文件的存取、共享和保护工作都是由操作系统来完成的。
（3）、操作系统实现了对计算机资源的抽象。
操作系统是辅设在裸机上的多层软件，它不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节，从而实现了对计算机资源的抽象。
4. 操作系统发展的主要动力是什么？答：（1）计算机硬件升级和新硬件的出现；（2）提供新的服务，方便使用；（3）提高计算机资源利用率；（4）更正软件错误；（5）计算机体系结构的发展。
5. 何谓脱机I/O和联机I/O?答：脱机I/O是指由专门的I/O设备控制完成输入输出操作的方式，不受CPU 运行操作系统来控制的方式。
存储管理
5.1.2 程序的运行过程
在多道程序环境下，要使 程序运行，必须先为之创 建进程。而创建进程的第 一件事，便是将程序和数 据装入内存。 如何将一个用户源程序变 为一个可在内存中执行的 程序，简单的说，要经过 编辑、编译、链接、装入 和运行等几个阶段。
用户 编辑程序 如：vi 编辑阶段 源文件 如：file1.c
5.1.2 程序的运行过程
5. 运行阶段
在运行阶段，进程调度程序按照某种策略选中用户 程序，给其分配CPU使之运行，完成用户提交的任 务。运行完毕后，系统释放其占有的内存空间。
5.1.3 存储管理的任务和功能
存储管理的主要任务是：
(1) 支持多道程序的并发执行，使多道程序能共享 存储资源，在互不干扰的环境中并发执行。 (2) 方便用户，使用户减少甚至摆脱对存储器的管 理，使用户从存储器的分配、保护和共享等繁琐事 物中解脱出来。 (3) 提高存储器的利用率和系统吞吐量。 (4) 从逻辑上扩充内存空间，支持大程序能在小的 内存空间运行或允许更多的进程并发执行。
(2) 动态地址重定位
动态地址重定位是指在程序执行过程中，CPU在访 问内存之前，将要访问的程序或数据地址转换为内 存地址。 地址重定位机构需要一个(或多个)基地址寄存器BR 和一个(或多个)程序逻辑地址寄存器VR。指令或数 据的内存地址MA与逻辑地址的关系为： MA=(BR)+ (VR)
5.1.3 存储管理的任务和功能
(2) 动态地址重定位
动态地址重定位具体过程如下：
1) 初始化基地址寄存器BR，逻辑地址寄存器VR。 2) 将程序段装入内存，且将其占用的内存区首地址送到BR中。例如， 在图5-4中，(BR)=4000。 3) 在程序执行过程中，将所要访问的逻辑地址送入VR中，例如，在图 5-4中执行LOAD 1,400语句时，将所要访问的逻辑地址400放入VR中。 4) 地址变换机构把VR和BR的内容相加，得到实际访问的物理地址。
操作系统-连续分配存储管理方式
操作系统-连续分配存储管理方式操作系统连续分配存储管理方式在计算机操作系统中，存储管理是一项至关重要的任务，它负责有效地管理计算机内存资源，以确保系统的高效运行和各种程序的正常执行。
连续分配存储管理方式是其中的一种常见方法，接下来让我们详细了解一下。
连续分配存储管理方式，顾名思义，就是为程序或进程分配连续的内存空间。
这种方式相对直观和简单，易于理解和实现。
首先，我们来谈谈单一连续分配。
在这种方式下，内存被分为系统区和用户区两部分。
系统区通常存放操作系统内核等关键系统程序，而用户区则只供一个用户程序使用。
这就好比一个房间被隔成了两个部分，一个部分是主人的私人空间，另一个部分则是留给客人的专属区域。
这种方式简单直接，但缺点也很明显，它只能用于单用户、单任务的操作系统，因为内存资源无法被多个程序共享，利用率较低。
接下来是固定分区分配。
这就像是把一个大房间提前划分成了几个固定大小的小房间。
每个小房间都有固定的大小，并且只能分配给大小合适的程序使用。
系统会预先将内存空间划分成若干个固定大小的分区，每个分区可以装入一个作业。
这种方式提高了内存的利用率，支持多道程序并发运行，但也存在一些问题。
比如，如果程序的大小小于分区的大小，就会造成内存空间的浪费，这就好比一个小个子住进了一个大房间，空间没有被充分利用。
而且，由于分区大小固定，缺乏灵活性，可能会出现大程序无法装入小分区的情况。
然后是动态分区分配。
这有点像一个灵活的仓库，根据货物的大小来随时调整存储空间。
在这种方式下，系统不会预先划分分区，而是在进程装入内存时，根据进程的实际需要，动态地划分出一块连续的内存空间分配给它。
当进程运行结束后，再将这块内存空间回收。
为了实现动态分区分配，系统通常需要使用一些数据结构来记录内存的使用情况，比如空闲分区表或者空闲分区链。
这种方式提高了内存的利用率，避免了固定分区分配中的一些浪费问题，但也带来了一些新的挑战。
比如说，随着进程的不断装入和退出，内存中会产生很多碎片，这些碎片可能很小，无法满足新进程的需求，从而导致内存的利用率降低。
操作系统名词解释整理
==================================名词解释======================================Operating system: operating system is a program that manages the computer hardware. The operating system is the one program running at all times on the computer (usually called the kernel), with all else being systems programs and application programs.操作系统：操作系统一个管理计算机硬件的程序，他一直运行着，管理着各种系统资源Multiprogramming: Multiprogramming is one of the most important aspects of operating systems. Multiprogramming increases CPU utilization by organizing jobs (code and data) so that the CPU always has one to execute.多程序设计：是操作系统中最重要的部分之一，通过组织工作提高CPU利用率，保证了CPU始终在运行中。
batch system: A batch system is one in which jobs are bundled together with the instructions necessary to allow them to be processed without intervention.批处理系统：将许多工作和指令捆绑在一起运行，使得它们不必等待插入，以此提高系统效率。
内存分配和内存回收的算法
内存分配和内存回收的算法内存分配和内存回收是计算机科学中非常重要的话题，它们是操作系统和编程语言中的核心概念。
在本文中，我们将深入探讨内存分配和内存回收的算法，以及它们在实际应用中的一些常见方法和技术。
第一部分：内存分配内存分配是将计算机系统中的可用内存空间分配给程序和进程使用的过程。
在常规操作系统中，内存分配包括两种主要方法：静态分配和动态分配。
1. 静态分配：静态分配是在编译时为程序分配固定大小的内存空间。
这种方法的一个明显优点是速度较快，因为内存分配是在程序加载时完成的，无需额外的运行时开销。
然而，缺点是在程序运行时无法根据需要调整内存大小，并且可能导致内存浪费或不足的问题。
2. 动态分配：动态分配是在程序运行时根据需要分配和释放内存空间。
这种方法基于一种称为“堆”的数据结构，其中包含系统中未使用的内存块。
常见的动态分配算法包括：a. 首次适应算法：该算法从堆的起始位置开始查找第一个足够大的空闲内存块，并在找到后分配给程序。
这种算法的优点是分配速度比较快，但后续的内存分配可能会导致碎片化。
b. 最佳适应算法：该算法搜索堆中最小的足够大的内存块并进行分配。
这种方法可以最大限度地减少碎片化，但可能导致内存分配速度较慢。
c. 最差适应算法：该算法搜索堆中最大的足够大的内存块并进行分配。
与最佳适应算法相反，这种方法可以最大限度地减少外部碎片，但可能导致内存分配速度较慢。
d. 快速适应算法：该算法使用一个包含不同大小的内存块的链表，以便根据需要选择最合适的内存块进行分配。
这种方法在分配速度和内存利用率方面都具有较好的平衡。
除了以上算法之外，还有其他一些更高级的动态内存分配算法，例如分区适应算法和伙伴系统分配算法，它们都试图解决内存碎片化的问题，以提高内存利用率和分配效率。
第二部分：内存回收内存回收是将不再使用的内存空间归还给操作系统或编程语言的过程。
在动态分配的环境中，内存回收非常重要，以免出现内存泄漏和内存溢出等问题。
操作系统网上第二次作业参考答案(仅供参考)
操作系统平时作业2一、填空练习1、在设备管理中，为了克服独占设备速度较慢、降低设备资源利用率的缺点，引入了，即用共享设备模拟独占设备。
2、常用的内存管理方法有、、和。
3、动态存储分配时，要靠硬件地址变换机构实现。
4、在存储管理中常用方式来摆脱主存容量的限制。
5、在页式管理中，页式虚地址与内存物理地址的映射是由和完成的。
6、在请求页式管理中，当发现所需的页不在时，产生中断信号，作相应的处理。
7、置换算法是在内存中没有时被调用的，它的目的是选出一个被的页面。
如果内存中有足够的存放所调入的页，则不必使用。
8、在页式管理中，页表的作用是实现从到的地址映射，存储页表的作用是。
9、段式管理中，以段为单位，每段分配一个区。
由于各段长度，所以这些存储区的大小不一，而且同一进程的各段之间不要求。
10、在段页式存储管理系统中，面向的地址空间是段式划分，面向的地址空间是页式划分。
11、文件的存储器是分成大小相等的，并以它为单位交换信息。
12、从资源分配的角度看，可以把设备分为独占设备和共享设备。
打印机属于设备，而磁盘属于设备。
13、虚拟设备是通过技术把设备变成能为若干用户的设备。
14、通道是一个独立于的专管的处理机，它控制与内存之间的信息交换。
15、缓冲区的设置可分为、、和。
16、在unix系统中，键盘、终端、打印机等以为单位组织和处理信息的设备称为；而磁盘、磁带等以为单位组织和处理信息的设备称为。
17、在多道程序环境中，用户程序的相对地址与装入内存后的实际物理地址不同，把相对地址转换为物理地址，这是操作系统的功能。
18、用户编写的程序与实际使用的物理设备无关，而由操作系统负责地址的重定位，我们称之为。
参考答案：1、虚拟分配技术2、分区管理，页式管理，段式管理，段页式管理3、重定位4、虚拟存储器5、页表，硬件地址变换机构6、硬件变换机构，内存，缺页，中断处理程序7、空闲页面，淘汰，空闲页面，置换算法8、页号，物理块号，记录内存页面的分配情况9、分配内存，连续的内存，不等，连续10、用户，物理实现11、物理块12、独占，共享13、spooling，独占，共享14、cpu15、单缓冲，双缓冲，多缓冲，缓冲池16、字符，字符设备，块，块设备17、地址重地位18、设备无关性（设备独立性）二、单项选择练习1、存储管理的目的是（）。
能保证物理空间上连续的内存分配函数
能保证物理空间上连续的内存分配函数内存分配是计算机操作中的一项重要任务，它可以为程序提供动态内存，允许程序在运行时动态地分配和释放内存。
在编写许多实时系统和应用程序时，需要使用可以保证连续物理空间上内存分配的函数。
这篇文章将介绍一种可以实现如此功能的内存分配函数。
内存分配函数的需求在某些应用程序中，需要使用连续的物理内存。
例如，图像和视频处理程序需要使用内存来存储大量的像素数据。
在这种情况下，如果内存不是连续的，那么操作系统需要花费更多的时间来合并分散的内存块。
此外，如果访问非连续内存块时，CPU 还需要进行一些额外的操作，这会导致性能下降。
保证物理空间上的连续内存分配函数的需要可通过以下两种方式实现：1.对内存进行"碎片整理"操作2.使用垃圾收集、自动内存管理和内存池。
本篇将重点介绍第一种方式。
内存碎片整理内存碎片整理是一个包含多次内部循环的过程。
每次循环时，它都会扫描所有已分配内存块的列表，检查是否需要合并相邻的内存块。
这个过程通常会导致大量的 CPU 切换，因此它在实时应用中并不可行。
另外，内存碎片整理可能会导致长时间的停止，因为它需要整合所有内存块并重新分配所有内存。
这样的停顿可能会破坏实时应用程序，因为停顿可能会突然导致数据未处理，例如视频处理应用程序中的未处理图像帧。
为解决这些问题，我们需要使用一种不会导致停顿的连续内存分配函数。
使用内存池内存池( Memory pool ) 是一种高效方式来处理连续内存分配问题。
在一个内存池中，程序分配一大块连续的内存，然后将其划分为小块（例如 64，128，256 等字节）。
每次分配时直接从内存池中注册可用的内存，并在使用后将内存块返回给该内存池。
使用内存池的优点是速度快、占用均衡、灵活控制内存的使用，支持精细的内存池划分等。
缺点是管理上可能需要写一些附加的代码，而且必须快速切换内存池。
结论在需要保证连续物理空间上内存分配的应用中，通常无法简单地使用常规的动态内存分配函数，例如 malloc、calloc 和 realloc。
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■ 需要的分区大小为2U-1 < s ≤ 2U 时，把整个块分配
逻辑 地址 CPU
no ≤ yes +
物理 地址
1500
进程 P的 物理 地址 空间
指令 指令
500
段长度 寄存器
1000
段基址 寄存器
1000
MAXprog
进程P 逻辑地址空间
0
movl %eax, $0xfffa620e
设置起始(base)和最大(limit) 逻辑地址空间
操作系统
0
内存管理方式
分区的地址是连续的
■ 操作系统需要维护的数据结构
进程P4
所有进程的已分配分区
空闲分区(Empty-blocks)
■ 动态分区分配策略
进程P3 进程P2
最先匹配(First-fit) 最佳匹配(Best-fit) 最差匹配(Worst-fit)
0
进程P1
最先匹配(First Fit Allocation)策略
0
逻辑地址生成
0
Southwest University of Science and Technology
1000
函数库
0 prog P : : foo() : : end P P: : push ... inc SP, x jmp _foo : foo: ... 75 : push ... inc SP, 4 jmp 75 : ... 100 : : : jmp 175 : ... 175 1175 1100
加载时，生成绝对地址
■
执行时 执行时代码可移动 需地址转换(映射)硬件支持
地址生成过程
■ CPU
ALU：需要逻辑地址的内存内容 MMU：进行逻辑地址和物理地 址的转换 CPU控制逻辑：给总线发送物理 地址请求
ALU
控制器
Southwest University of Science and Technology
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟内存
Southwest University of Science and Technology
■
实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合
MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成
示例： 分配400字节，使用第 2个空闲块（最大）
500 bytes
为空闲块
最差匹配(Worst Fit Allocation)策略
■ 原理 & 实现 空闲分区列表按由大到小排序 分配时，选最大的分区
Southwest University of Science and Technology
释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并， 并调整空闲分区列表顺序
碎片整理
■ 伙伴系统
连续内存分配和内存碎片
■ 连续内存分配
给进程分配一块不小于指定大小的连 续的物理内存区域 ■ 内存碎片 空闲内存不能被利用 ■ 外部碎片 分配单元之间的未被使用内存
Southwest University of Science and Technology
MAX
进程P3 地址空间
Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals
内存层次
处理器 CPU 访问速度 最快 3.6GHz
Southwest University of Science and Technology
L1缓存
L2缓存
高速缓存未命中
硬件 (MMU)
■ 缺点
外部碎片 释放分区较慢 容易产生很多无用的小碎片
最差匹配(Worst Fit Allocation)策略
1K bytes
Southwest University of Science and Technology
思路： 分配n字节，使用尺寸不 小于n的最大空闲分区
1K bytes
2K bytes
计算机体系结构 内存层次 操作系统的内存管理方式
■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统
计算机体系结构
算术逻辑单元(ALU)
Southwest University of Science and Technology
控制逻辑
寄存器 高速缓存 存储管理单元（MMU）
CPU
总线
内存
I/O设备
movl %eax, $0xfffa620e
CPU
寄存器 高速缓存 MMU
物理地址生成
地址映射 逻辑地址<--->物理地址
■ 内存
发送物理地址的内容给CPU 或接收CPU数据到物理地址
■ 操作系统
建立逻辑地址LA和物理地址PA 的映射
总线
内存
I/O设备
地址检查
MAXsys 内存异常
Southwest University of Science and Technology
■ 原理 & 实现 空闲分区列表按照大小排序 分配时，查找一个合适的分区
Southwest University of Science and Technology
释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）
■ 优点 大部分分配的尺寸较小时，效果很好
· 可避免大的空闲分区被拆分 · 可减小外部碎片的大小 · 相对简单
起始地址0，直到 MAXsys
■ 逻辑地址空间 — 在CPU运行的进程看到的地址 起始地址0， 直到 MAXprog
MAXprog
进程P
0
但是地址 (address) 是从哪里来的 地址(address) 是从哪里来的 ?? movl %eax, %eax, $0xfffa620e movl $0xfffa620e
Southwest University of Science and Technology
■ 伙伴系统
碎片整理：紧凑(compaction)
■ 碎片整理 通过调整进程占用的分区位置 来减少或避免分区碎片 ■ 碎片紧凑 通过移动分配给进程的内存分 区，以合并外部碎片 碎片紧凑的条件
· 所有的应用程序可动态重定位
■ 内部碎片
分配单元内部的未被使用内存 取决于分配单元大小是否要取整
代码 数据 堆栈
0 进程P2 地址空间
进程P1 地址空间
连续内存分配：动态分区分配
■ 动态分区分配
Southwest University of Science and Technology
MAX
进程P6 进程P5
当程序被加载执行时，分配一个进 程指定大小可变的分区(块、内存块)
Southwest University of Science and Technology
第9讲 物理内存管理：
连续内存分配
授课教师：马立平 联系方式：maliping@
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次
Southwest University of Science and Technology
Southwest University of Science and Technology
■
实现高度依赖硬件
与计算机存储架构紧耦合 MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件
内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟内存(virtual memory)
0 操作系统内核
■ 虚拟化
逻辑（虚拟）地址空间 物理地址空间
MMU
更大的地址空间
内存
外存
操作系统的内存管理方式
■ 操作系统中采用的内存管理方式
重定位(relocation) 分段(segmentation) 分页(paging) 虚拟存储(virtual memory)
· 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟存储
Southwest University of Science and Technology
地址空间的定义 地址生成 地址检查
■ 连续内存分配
■ 伙伴系统
地址空间定义
■ 物理地址空间 — 硬件支持的地址空间
MAXsys
Southwest University of Science and Technology
较快
快 1.3GHz
内存
缺页
操作系统
5ms 慢 (查找时间)
外存(虚拟内存)
操作系统的内存管理
Max
Southwest University of Science and Technology
■ 抽象
逻辑地址空间
P1 进程 P2 进程 P3 进程 P4 进程
■ 保护
独立地址空间
■ 共享
访问相同内存
P3 P2 P1 P4
就绪队列 就绪 运行
P1 P4 P3 P2
对换等待 对换等待队列
等待
等待队列
OS 内存 外存
碎片整理：分区对换(Swapping in/out)
操作系统内核
Southwest University of Science and Technology
① 换入 进程p1
② 换出
进程p2
用户地址空间 内存
外存
■ 需要解决的问题
交换哪个（些）程序？
内容摘要
■ 计算机体系结构/内存层次 ■ 地址空间 & 地址生成 ■ 连续内存分配 ■ 伙伴系统 伙伴系统的实现 ucore中的伙伴系统