操作系统笔记---内存管理

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// Pre. 地址绑定

1. 是逻辑地址向物理地址映射的过程

2. 根据映射发生的时间分类：

• 编译时：编译后，逻辑地址已经映射到物理地址。
• 载入时：编译时候产生可重定位代码。将程序加载到内存时，逻辑地址映射到物理地址，一旦载入内存的某个地址，就从此固定不动。如果发生了swap（交换）也要换回原来的地址上。
• 运行时：进程运行时候可以改变映射的物理内存区域。如：进程a、b在内存，基址为1000h和2000h，进程c在虚拟内存。现swap进程a和c，那么c进入内存，基址为1000h。一段时间后，swap进程a、c，a就重新进入了内存，基址为2000h，此时其物理地址相对于上一次已经不同，地址的映射发生在运行时。现在的计算机系统多采用这种方式。

操作系统如何管理内存？核心思想就是用好内存，那么怎么用好内存？

------一。内存使用：

1. 要让exe文件执行，首先需要创建pcb。内存找一段空闲的区域，将程序放入到这段区域，将首地址存入pcb

2. pcb把基地址写入基址寄存器

3. 执行的时候，取基址寄存器的值，进行地址的重定位，获取物理地址（运行时重定位）

4. 进程上下文切换时，新进程把新的基址（位于pcb）写入基址寄存器，进行更新

5. 动态加载与动态链接

• 动态加载：将加载延迟到运行时，主体是操作系统。例如子程序只有在被调用的时候才加载到内存；
• 动态链接：将链接延迟到运行时，主体是程序员。例如stub(存根),用来定位适当的内存驻留库程序,或如果该程序不在内存时应如何装入库。Stub首先检查所需子程序是否在内存中,如果不在,就将子程序装入内存。Stub 会用子程序地址来替换自己,并开始子程序。

那么，是将整个程序都"放入这段区域"吗？

------二。分段：

2. 因此，pcb里面存的实际上是进程段表(LDT表)，指示每个段的段首地址。

那么，如何在内存划分空闲区域呢？

------三。分区问题:

1. 固定分区：将内存分成多个固定大小的区域，每个分区只能容纳一个进程。

2. 可变分区：操作系统记录空闲分区表和已分区表，记录哪些内存可用（称之为“孔”）以及哪些内存已被占用，要多少给多少，每次分配内存或者释放内存都会对表更新。

3. 从一组可用孔选择一个空闲孔的方法（可变分区方式下动态分配存储问题）：

• 首次适配：分配第一个足够大的孔
• 最佳适配：分配最小的足够大的孔
• 最差适应：分配最大的孔

------四。分页

1. 把物理内存划分为多个块，叫做帧；把逻辑内存划分为多个块，叫做页。进程的每一个段不是直接放到内存的，而是打散成多个页存入内存。为了将来能够重定位，在程序执行的时候找到物理地址，就引入了页表的概念，通过页表查询进程的第几页存储在内存的第几帧。

2. 页表的硬件实现方式：

• 页表较小时，存到一组专用寄存器。
• 页表大时，存入内存，这时需要有寄存器用来保存页表的基地址。采用这种方案，会导致两次访问内存。解决两次访存的办法是采用一个硬件缓冲------转换表缓冲区（TLB）。TLB是一个键值对（page<-->frame），保存页表的一小部分条目，TLB命中则直接访问对应帧，无效则需要访问内存中的页表，并将此条目存储到TLB。图示TLB机制

3. 分页环境下的内存保护：内存保护是通过每个帧相关联的保护位来实现的，这些位通常保存在页表中，如读写位、有效无效位。

4. 共享页，如图所示。共享代码的进程共用某些段，这些段在内存的物理帧相同。减少了内存的消耗。

5. 为了提高内存使用率，每一页应该尽量小，这样会导致页表太大。由此，给出多级页表和哈希页表的机制。

6. 多级页表：

• 二级分页算法，将页表再分页，类比：某章 -> 该章某节 -> 该节某页。以下图为例，p1代表第一层页表中的偏移量，p2代表第二层页表中的偏移量，d代表内存的第几帧。优势：可以实现页表的不连续存储，可以节约内存空间。

多级页表提高了空间效率，但是在时间上，由于多次访存，造成了耽搁。可用TLB（快表）进行改进。TLB根据局部性原理，存储的是经常访问的条目。TLB命中则不需多次访存，TLB未命中则把对应条目加入或替换进TLB。

7. 哈希页表

• 处理超过32位地址空间的常用办法
• 哈希页表的条目包括一个链表的元素，每个元素有3个域：1）虚拟页码 2）物理帧号 3）指向链表中下一个元素的指针。其中虚拟页码作为哈希值。（所谓虚拟页码，应该就是页码、页号）
• 算法主要是凭页码得到哈希值，在哈希表中获得对应条目，找到物理帧号。如图示。
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