计算机操作系统第四章 存储器管理(1-2)要点

4.1.2
程序的链接
1. 静态链接方式 (Static Linking)
名空间
链接前， 0 每个模 块都有 L－ 1 各自的 相对起 0 始地址 0
M－ 1 0 N－ 1
模块 A CALL B ； Return ； 模块 B CALL C ； Return ； 模块 C Return ； (a ) 目标模块
链接 装入 连续或不连续分 配 静态重定位 或动态重定位 连续 均可 一般不连续 静态链接 装入时动态链接 运行时动态链接
均可
均可
动态重定位
第四章 存 储 器 管 理
4.2
4.2.1 单一连续分配
连续分配方式
OS
特征：最简单的一种存储管理方 式，但只能用于单用户、单任务 的操作系统中；常把内存分为系 统区和用户区两部分，系统区仅 提供给 OS 使用，通常是放在内
第四章 存 储 器 管 理
3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking) 动态链接方式：将对某些模块的链接推迟到执行时才实施， 亦即，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装 入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存， 把它链接到调用者模块上。特点如下： 特点：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，这样不仅可加快程序 的装入过程，而且可节省大量的内存空间。
动态运行时装方式：
• 装入内存后的所有地址都仍是相对地址；逻辑地址到
物理地址的变换要推迟到程序真正执行时才进行； • 地址变换发生在程序执行过程中（即动态重定位）。 为使地址转换不影响程序执行速度，必须使用硬件支 持。
第四章 存 储 器 管 理
链接和装入的关系（一）
• 静态链接会形成磁盘上的可执行文件，而 装入时动态链接和运行时动态链接不会产 生磁盘上的可执行文件。 • 静态链接产生的可执行文件装入时内存是 连续分配的，而地址映射既可采用可重定 位装入方式（静态重定位）也可以采用动 态运行时装入方式（动态重定位）
N个字节可用
图 4-5 空闲链结构
第四章 存 储 器 管 理
用户编程所用的地址称为逻辑地址（或程序地址，或
虚地址），由逻辑地址组成的空间称为逻辑地址空间 （或程序地址空间）。
我们把用户程序装入内存时，或在程序执行时，对有
关指令或数据地址的修改称为从程序地址到内存地址 的地址映射，或称为地址重定位。
第四章 存 储 器 管 理
源程序（名空间） 逻辑地址空间
0 BR=1000
缺点：程序必须占用连续的内存空间；一旦程序装入 后不能移动；主存利用率低；难以做到程序和数据的
共享。
第四章 存 储 器 管 理
动态地址映射（重定位）
动态地址重定位：在程序执行的过程中，每次将要访问的指令或数 据逻辑地址转换为内存地址。 动态映射方法：装入程序把程序和数据原样装入到已分配的存储区 中，然后把这个存储区的起始地址送入重定位寄存器中。在程序执 行时，再将相对地址转换成绝对地址。
物理地址空间
Load A data1
100
Load A 200
1100
Load A 1200
编译 连接
data1 3456 200 3456
地址映射
1200 3456 。 。
第四章 存 储 器 管 理
地址映射的方式
静态地址映射： 1）程序被装入内存时由操作系统的连接装入程序完成 程序的逻辑地址到内存地址的转换； 2）地址转换工作是在程序执行前由装入程序集中一次 完成。 假定程序装入内存的首地址为BR，程序地址为VR，内存 地址为MR，则地址映射按下式进行：MR=BR+VR
第四章 存 储 器 管 理
动态重定位优缺点
优点：1）程序占用的内存空间是动态可变的，当程序从 某个存储区移到另一个区域时，只需要修改相应的寄存器 BR的内容即可；2）一个程序不一定要求占用一个连续的 内存空间，可以部分地装入程序运行；4）便于多个进程 共享同一个程序的代码。 动态地址重定位的代价：1）需要硬件的支持；2）实现存
三种链接方式的差别相当于： 静态链接：上车（相当于进入内存）前集合起来
装入时链接：上车后开车前集合起来
运行时链接：开车后需要时集合起来
第四章 存 储 器 管 理
4.2.1
程序的装入
1. 绝对装入方式(Absolute Loading Mode)
采用绝对地址装入，目前很少使用 ① ② ③ 程序中所使用的绝对地址，既可在编译或汇编时给出， 也可
链接 程序 装入 程序
4.2 程序的装入和链接
过程或函数可能分别 对应一个模块！
编译程序产 生的目标模 块
…
装入模块
编译
链接
第二步 第三步
装入
第一步
第四章 存 储 器 管 理
不要求！
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入模块，又称为 可执行文件，以后不再拆开。解决：对相对地址 进行修改；变换外部调用符号
储管理的软件算法较为复杂。
第四章 存 储 器 管 理
程序处理步骤： 编译---编译程序，负责检查语法错，涉及名空间。输入：源程序； 输出：多 个目标模块； 链接---链接程序，负责将多个模块相关联，涉及逻辑地址空间。输入：多个 目标模块、库函数；输出：装入模块； 装入：装入程序，负责内存分配和地址映射，涉及内存空间。输入：装入模 块；输出：可执行的二进制内存映像。 内存 二进制内存映 （可能产生）可执行 像 程序文件 库
4.1 存储器的层次结构
CPU寄存器 寄存器 高速缓存 主存 主存 磁盘缓存 辅存 磁盘 可移动存储介质
在主存中
寄存器、高速缓存、主存储器和磁盘缓存均属于操作系统 存储管理的管辖范畴，掉电后它们存储的信息不再存在。
第四章 存 储 器 管 理
基本概念补充
存储器管理：指内存的管理，外存管理在文件部分讲述； 单道程序系统：内存被划分成两部分：一部分供OS使用， 一部分供当前正在执行的程序使用。 多道程序系统：存储器的用户部分必须进一步地细分，以 适应多个进程的要求。细分的任务由操作系统动态实 现，这就是存储器管理。 存储器管理的目的：一是方便用户使用，二是提高存储器 的利用率。
第四章 存 储 器 管 理
把程序装入起始地址为1000的内存区
0 100
…
Mov r1,[500]
0 1000 1100
装入程序 1500
… …
Mov r1,[1500]
… 500
1234 600 …
作业的地址空间
1600
1234 … … 存储空间
第四章 存 储 器 管 理
静态映射优缺点
优点：不需要硬件的支持，简单易实现，成本低；
用户区
存的低址部分；用户区是指除系
统区以外的全部内存空间， 提供 给用户使用。
第四章 存 储 器 管 理
4.2.2
固定分区分配
分配方法：将用户空间划分为若干个固定大小的区域，在每个分 区中装入一道作业；有几个分区，就有几道并发的作业；有 空闲分区时，可调入一适当大小的作业；最简单的一种多道 程序存储管理方法。
逻辑地址VR
+
物理地址MR 1500 1599
… 500 1234 599 …
1234 …
…
作业的地址空间
存储空间
第四章 存 储 器 管 理
动态地址映射的过程
程序装入内存后，它所占用的内存区的首地址由系统送入 基地址寄存器BR中。 在程序执行的过程中，若要访问内存，将访问的逻辑地址 送入VR中。 地址转换机构把VR和BR中的内容相加，并将结果送入MR中， 作为实际访问的地址。
图 4-4 固定分区使用表 第四章 存 储 器 管 理4.2.3
动态分区分配
分配思想：根据进程的实际需要，动态的为进程分配（切分）内 存空间，及需要多大，分配多大。提高内存的利用率。 1. 分区分配中的数据结构
(1) 空闲分区表。 (2) 空闲分区链。
前 向 指 针 N ＋ 2 0 后 向 指 针 N ＋ 2 0
第四章 存 储 器 管 理
第四章 存储器管理
4.1 存储器的层次结构 4.2 程序的装入和链接
4.3 连续分配方式
4.4 基本分页存储管理方式 4.5 基本分段存储管理方式
4.6 虚拟存储器的基本概念
4.7 请求分页存储管理方式 4.8 页面置换算法 4.9 请求分段存储管理方式
第四章 存 储 器 管 理
1. 划分分区的方法
① 分区大小相等， 即使所有的内存分区大小相等。缺点：缺 乏灵活性，大作业无法运行，小作业浪费空间。 ② 分区大小不等，即划分为小、中、大不等的固定分区。优 点：灵活性好。
第四章 存 储 器 管 理 2. 内存分配 ：为了便于内存分配，将分区按照大小排队，并建立一 个分区表。如图所示。当为作业分配空间时，分配程序按照此表检 索以合适分区分配；否则，拒绝分配。缺点：空间浪费。
硬件支持：在动态地址重定位机构中，有一个基地址寄存器BR和一 个程序地址寄存器VR，一个内存地址寄存器MR。
转换过程：MR=BR+VR
第四章 存 储 器 管 理
把程序装入起始地址为1000的内存区
0 100
重定位寄存器 1000
…
MOV r1，[500]
0 1000 1100
… …
MOV r1，[500]
第四章 存 储 器 管 理
1、存储器管理功能
主存的分配和回收：系统应能记住每个存储区的状态； 实施存储器的分配；回收系统或用户释放的存储区。 提高主存利用率：使多道程序能动态地共享主存，最好 能共享主存中的信息。[地址转换或重定位] 主存保护：保证进入主存的各道作业都在自己的存储空 间内运行，互不干扰。由硬件和软件配合完成。 主存扩充：借助于虚拟存储技术，为用户提供比主存空 间大的地址空间。
第四章 存 储 器 管 理
2、地址映射(地址重定位)
内存的每个存储单元都有一个编号，这种编号称为内存 地址（或称为物理地址，绝对地址）。 内存地址的集合称为内存空间（或物理地址空间）。例 如，我们常说内存为：512MB
要求用户用内存地址编程是非常困难的，尤其是在多道 程序设计的环境中（不知道）。
第四章 存 储 器 管 理
2. 装入时动态链接(Loadtime Dynamic Linking)
基本思想：源程序被编译生成的目标模块，是在装入内 存时，边装入边连接。装入程序根据外部模块调用而 逐个装入和连接。装入时动态链接方式有以下优点 ① 便于修改和更新：各个模块的修改极易编译和连接；
② 便于实现对目标模块的共享：将内存中的一个模块可 以连接到多个程序中。 ③ 要运行的程序都必须在装入时，全部连接调入内存。
第四章 存 储 器 管 理
链接和装入间的关系（三）
• 运行时动态链接方式一般情况下后装入 的模块和原先已装入的模块是不连续存 放的。 • 运行时动态链接方式的地址变换不可能 运行前一次性映射地址，即不可能采用 静态重定位方法，而只能使用动态重定 位的方法。
第四章 存 储 器 管 理
链接和装入间的关系（四）
1 00 00 LOAD 1,25 0 0
LOAD 1,12500
1 10 00 LOAD 1,25 0 0
2 50 0
3 65
1 25 00
3 65
5 00 0 作业地址空间
1 50 00
逻辑地址（相对地址）
内存空间
图 4-2 作业装入内存时的情况
第四章 存 储 器 管 理
3. 动态运行时装入方式(Denamle Run-time Loading)
第四章 存 储 器 管 理
链接和装入间的关系（二）
• 装入时动态链接方式可以分别给每个装 入模块分配一块内存区域，因而装入时 各模块不一定连续存放。 • 装入时的地址映射既可采用可重定位装 入方式（静态重定位---链接后运行前一 次性修改逻辑地址为物理地址）也可以 采用动态运行时装入方式（动态重定位--运行时动态计算出逻辑地址到物理地址 的映射）
链接后， 模块 A 每个模 JSR “L” 块使用 L－ 1 Return ； 同一个 L 模块 B 相对起 始地址 JSR “L ＋ M” 0
L＋ M－ 1 L＋ M Return ； 模块 C Return ； (b ) 装入模块
0
逻辑地址空间
L＋ M＋ N－ 1
图 4-3 程序链接示意图
第四章 存 储 器 管 理
由程序员直接赋予；
编译程序生成的目标模块其逻辑地址与要装入内存的物理地 址相同； 缺点：单道程序可用，多道程序环境不能用。
第四章 存 储 器 管 理 又称静态重定位：地址变换在装入时 一次完成，其后不能移动。 0
1 00 0
2. 可重定位装入方式(Relocation Loading Mode)
物理地址 （绝对地 址）