为了深入计算机底层，无知的我正在参考《王道考研》学习计算机操作系统。

笔记特点是 我重新整理了涉及资料的一些语言描述、排版，而使用了自己比较容易理解的描述、同样是回答了一些常见关键问题

文章目录

  • 3.1_1_内存的基础知识
    • 内存-定义和作用
    • 内存-根据其计算地址长度
    • 指令的工作原理
    • 逻辑地址 vs 相对地址
    • 从写程序到程序运行的过程
    • 装入模块装入内存-逻辑地址法
      • 如果从地址为0的地方开始装入
      • 如果从地址为100(其他)的地方开始存入
    • 装入的三种方式——绝对装入
    • 装入的三种方式——可重定位装入
    • 装入的三种方式——动态运行时装入
    • 链接的三种方式——静态链接
    • 链接的三种方式——装入时动态链接
    • 链接的三种方式——运行时动态链接
    • 知识回顾与重要考点
  • 3.1_2_内存管理的概念
    • 内存空间的分配与回收
    • 内存空间的扩展
    • 地址转换
    • 内存保护
      • 设置一对上、下限寄存器
      • 重定位寄存器和界地址寄存器
    • 知识回顾与重要考点
  • 3.1_3_覆盖与交换
    • 覆盖技术
    • 交换技术
    • 知识回顾与重要考点
  • 3.1_4_连续分配管理方式
    • 单一连续分配
    • 固定分区分配
    • 动态分区分配
    • 知识回顾与重要考点

3.1_1_内存的基础知识

内存-定义和作用

内存定义 && 作用

  • 内存可存放数据。
  • 缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理

思考：在多道程序环境下，系统中会有多个程序并发执行，也就是说会有多个程序的数据需要同时放到内存中。那么，如何区分各个程序的数据是放在什么地方的呢？

方案：给内存的存储单元编地址

内存地址从0开始，每个地址对应一个存储单元

内存中也有一个一个的“小房间”，每个小房间就是一个“存储单元”

  • 如果计算机“按字节编址**”**， 则每个存储单元大小为 1字节，即 1B，即 8个二进制位
  • 如果字长为16位的计算机 “按字编址**”**，则每个存储单元大小为 1个字；每个字的大小为 16 个二进制位

内存-根据其计算地址长度

一台手机/电脑 有 4GB 内存，是什么意思？

是指该内存中可以存放 4* 2^30个字节。如果是按字节编址的话，也就是有 4*2^30 = 2^32个“小房间”

这么多“小房间”，需要 2^32个地址才能一 一标识，所以地址需要用 32 个二进制位来表示（就是0~ 2^32 -1）

补充知识

2^10 = 1K （千）

2^20 = 1M （兆，百万）

2^30 = 1G （十亿，千兆）

考点

有的题目会告诉我们内存的大小，让我们确定地址长度应该是多少（即要多少个二进制位才能表示相应数目的存储单元）

指令的工作原理

工作原理

指令的工作基于“地址”。 每个地址对应一个数据的存储单元

工作机制

可见，我们写的代码要翻译成CPU能识别的指令。

这些指令会告诉CPU应该去内存的哪个地址读/写数据， 这个数据应该做什么样的处理。

在这个例子中，我们默认让这个进程的相关内容从地址#0开始连续存放，指令中的地址参数直接给出了变量 x 的实际存放地址（物理地址）。

思考：如果这个进程不是从地址#0 开始存放的，会影响指令的正常执行吗？

会。这是因为如果在执行过程中改变了存放地址指令的位置。那么还是按照物理地址来找到数据存放地址的话，找到的结果是错误的。还有等等原因。

逻辑地址 vs 相对地址

逻辑地址又称相对地址

相对地址又称物理地址

编译时产生的指令只关心“相对地址”

在实际放入内存时，再根据存放的起始位置得到“绝对地址”

从写程序到程序运行的过程

  1. 编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（编译就是把高级语言翻译为机器语言）
  2. 链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块
  3. 装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行

装入模块装入内存-逻辑地址法

如果从地址为0的地方开始装入

如果从地址为100(其他)的地方开始存入

引出问题-如果还是按照逻辑地址来存入，那么实际存入数据的地方不是我们期望的

解决思路 如何将指令中的逻辑地址转换为物理地址？如下介绍装入的三种方式

装入的三种方式——绝对装入

绝对装入定义

  1. 在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。
  2. 装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。

Eg：如果知道装入模块要从地址为 100 的地方开始存放…如下

缺陷 绝对装入只适用于单道程序环境。 这是因为这种环境是在同一时刻，内存当中只会有一个程序在执行，这可以使得在编译或汇编时就确定内存的物理地址

转换时机

  • 程序中使用的绝对地址，可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。
  • 通常情况下都是编译或汇编时再转换为绝对地址

装入的三种方式——可重定位装入

定义

  1. 编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。
  2. 装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）。

执行机制如下

特点

  1. 静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间（如果没有足够的内存，就不能装入该作业）
  2. 作业一旦进入内存后，在运行期间就不能再移动，也不能再申请内存空间。//这是因为作业地址不会随着移动而相应地改变

装入的三种方式——动态运行时装入

动态重定位定义 又称动态运行时装入。

  1. 编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。
  2. 装入程序把装入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。

=>因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。

//这种方式需要一个重定位寄存器的支持。

执行机制如下

链接的三种方式——静态链接

定义

  1. 在程序运行之前， 先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件（装入模块）
  2. 之后不再拆开

执行机制如下

链接的三种方式——装入时动态链接

定义

将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式

执行机制如下

链接的三种方式——运行时动态链接

定义

在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。

执行机制如下

优点是 便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

知识回顾与重要考点

3.1_2_内存管理的概念

内存空间的分配与回收

内存空间的扩展

地址转换

意义

为了使编程更方便，程序员写程序时应该只需要关注指令、数据的逻辑地址。而逻辑地址到物理地址的转换（这个过程称为地址重定位(三种装入方式)）应该由操作系统负责，这样就保证了程序员写程序时不需要关注物理内存的实际情况。

方式

内存保护

设置一对上、下限寄存器

  1. 在CPU中设置一对上、下限寄存器，存放进程的上、下限地址。
  2. 进程的指令要访问某个地址时，CPU检查是否越界。

重定位寄存器和界地址寄存器

采用重定位寄存器（又称基址寄存器）和界地址寄存器（又称限长寄存器）进行越界检查。

@重定位寄存器中存放的是进程的起始物理地址。@界地址寄存器中存放的是进程的最大逻辑地址。

知识回顾与重要考点

3.1_3_覆盖与交换

覆盖技术

机制

将程序分为多个段（多个模块）。

  • 常用的段常驻内存
  • 不常用的段在需要时调入内存。

内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”

  • 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）
  • 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存， 用不到时调出内存

特点

必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。

缺点：

  • 对用户不透明，增加了用户编程负担。
  • 在应用上，覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史

交换技术

机制

内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

  • 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存

暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）

  • @挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？

具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。

  • 文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式；
  • 对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式（学过文件管理章节后即可理解）。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。

什么时候应该交换？

交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行；系统负荷降低就暂停。

例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；如果缺页率明显下降，就可以暂停换出

应该换出哪些进程？

可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；

  • 引出问题-为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间…
  • PCB 会常驻内存，不会被换出外存

知识回顾与重要考点

3.1_4_连续分配管理方式

连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。

单一连续分配

内存被分为系统区和用户区。 系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据；用户区用于存放用户进程相关数据。

内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。

**优点：**实现简单；无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护（eg：早期的 PC 操作系统 MS-DOS）。

缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；存储器利用率极低。

//@内部碎片的含义 分配给某进程的内存区域中，没有被用上的内存空间。

如下图分配

固定分区分配

历程 20世纪60年代出现了支持多道程序的系统，为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰， 于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。

固定分区分配又分为

二者的优劣

分区大小相等：

缺乏灵活性（可能会出现一个小的进程占用了一个大的分区，导致部分内存没有被使用）

但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合（比如：钢铁厂有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序）

分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分（比如：划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区）

操作系统如何记录内存使用情况

操作系统需要建立一个数据结构——分区说明表，来实现各个分区的分配与回收。

每个表项对应一个分区，通常按分区大小排列。

每个表项包括对应分区的大小、起始地址、状态（是否已分配）。

下图是内存分区表 用数据结构的数组（或链表）即可表示这个表

内存固定分配 机制

当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表， 从中找到一个能满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配”。

**优点：**实现简单，无外部碎片。

缺点：a. 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能；b. 会产生内部碎片，内存利用率低。

动态分区分配

动态分区分配（可变分区分配）。这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时， 根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统分区的大小和数目是可变的。（eg：假设某计算机内存大小为 64MB，系统区 8MB，用户区共 56 MB…）

操作系统如何记录内存使用情况

**空闲分区表：**每个空闲分区对应 一个表项。表项 中包含分区号、 分区大小、分区 起始地址等信息 进程4 (4MB)

**空闲分区链：**每个分区的起始部分和末尾部分分别设置前向指针和后向指针。起始部分处还可记录分区大小等信息

当很多个空闲分区都能满足需求时， 应该选择哪个分区进行分配？

动态分区分配算法。从空闲分区表（或空闲分区链）中选出最合适的一个分区分配给该作业。

分区的分配与回收操作

回收后，内存分区会合并

知识回顾与重要考点

计算机操作系统 | 3.1_1~3.1_4 内存及内存管理 | 参考自王道考研 | 无知的我费曼笔记（图文排版无水印）相关推荐

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