03 内存分配 | 《操作系统》笔记

这一系列是操作系统 (清华大学向勇、陈渝)视频课的课堂笔记,主要是课堂 PPT 和部分讲授内容的文字版,仅供参考。

概述

  • 操作系统在内存管理方面的任务
    • 抽象:逻辑地址空间
    • 保护:独立地址空间
    • 共享:访问相同内存
    • 虚拟化:更多的地址空间
  • 在操作系统中管理内存的不同方法
    • 程序重定位
    • 分段
    • 分页
    • 虚拟内存
    • 按需分页虚拟内存

连续内存分配:地址空间与地址生成

  • 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 到到地址 MAXsystem
    • 逻辑地址空间:一个运行的程序所拥有的内存范围
      • 起始地址 0 到到地址 MAXprocess
    • 当 CPU 需要执行某个指令时
      • CPU
        • 运算器需要在逻辑地址的内存内容
        • 内存管理单元寻找在逻辑地址和物理地址之同的映射
        • 控制器从总线发送在物理地址的内存内容的请求
      • 内存
        • 内存发送物理地址内存的内容给 CPU
      • 操作系统方面
        • 建立逻辑地址和物理地址之间的映射
  • 连续内存分配
    • 内存碎片问题
      • 空闲内存不能被利用
      • 外部碎片:在分配单元间的未使用内存
      • 内部碎片:在分配单元中的未使用内存
    • 分区的动态分配
      • 第一适配
        • 实现
          • 按地址排序空闲块
          • 寻找第一个可行的分区
          • 回收时尝试合并相邻的空闲分区(若有)
        • 优势
          • 简单
          • 易于产生更大空闲块
        • 劣势
          • 外部碎片
          • 不确定性
      • 最佳适配
        • 实现
          • 按尺寸排序空闲块
          • 寻找最合适的分区
          • 回收时尝试合并相邻的空闲分区(若有)
        • 优势
          • 当大部分分配是小尺寸时非常有效
          • 比较简单
        • 劣势
          • 外部碎片
          • 重分配慢
          • 易产生很多没用的微小碎片(不怎么好)
      • 最差适配
        • 实现
          • 按尺寸排序空闲块
          • 寻找最大的分区
          • 回收时尝试合并相邻的空闲分区(若有)
        • 优势
          • 假如分配是中等尺寸效果最好
        • 劣势
          • 重分配慢
          • 外部碎片
          • 易于破碎大的空闲块以致大分区无法被分配
    • 压缩式碎片整理
      • 劣势
        • 拷贝开销可能很大
        • 无法应对空间的绝对剩余量不够的情况
    • 交换式碎片整理
      • 运行程序需要更多的内存
      • 抢占等待的程序并回收它们的内存

非连续内存分配

  • 概述
    • 连续内存分配的缺点
      • 分配给一个程序的物理内存是连续的
      • 内存利用率较低
      • 有外碎片、内碎片的问题
    • 非连续分配的优点
      • 一个程序的物理地址空间是非连续的
      • 更好的内存利用和管理
      • 允许共享代码与数据(共享库等)
      • 支持动态加载和动态链接
    • 如何建立虛拟地址和物理地址之间的转换
      • 软件方案
      • 硬件方案
    • 两种硬件方案
      • 分段
      • 分页
  • 分段
    • 分段地址空间
    • 分段寻址方案
  • 分页
    • 分页地址空间
      • 与分段的的最大区别
        • 段的尺寸可变,页的大小固定
      • 概念区分
        • frame:帧(物理页)
        • page:页(逻辑页)
      • 划分物理内存至固定大小的帧
        • 大小是 2 的幂,如 512、4096、8192
      • 划分逻辑地址空间至相同大小的页
        • 大小是 2 的幂,如 512、4096、8192
      • 建立方案转换逻辑地址为物理地址(pages to frames)
        • 页表
        • MMU/TLB
    • 分页寻址方案

页表

  • 概述
    • 分页机制的性能问题
      • 访问一个内存单元需要 2 次内存访问
        • 一次用于获取页表项
        • 一次用于访问数据
      • 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?
          • 每页共有 1024 个地址,则机器共有 2^64/1024=2^54 页
          • 每页在页表中占一个字节,那么一个页表的大小为 2^54 字节
      • 如何处理
        • 时间:缓存
        • 空间:多层次页表
  • TLB
    • 页表的 cache,位于 MMU 中
  • 二级、多级页表
    • 对应驻留位为 0 的那个二级页表就可以省去了
  • 反向页表
    • 大地址空间问题
      • 有大地址空间(64-bits),前向映射页表变得繁琐,如:5 级页表
      • 不是让页表与逻辑地址空间的大小相对应,而是让页表与物理地址空间的大小相对
      • 逻辑(虚拟)地址空间增长速度快于物理地址空间
    • 基于页寄存器(Page Registers)的方案
      • 页表是页号(逻辑)到帧号(物理)的映射,反向页表是帧号(物理)到页号(逻辑)的映射
      • 虽然这种方案减少了存储每个页表所需要的内存空间,但是当引用页时,它增加了查找页表所需要的时间。由于反向页表按物理地址排序,而查找是根据虚拟地址,因此可能需要查找整个表来寻求匹配。这种查找会花费很长时间。
      • 为了解决这一问题,可以使用哈希页表来将查询限制在一个或少数几个页表条目。当然,每次访问哈希页表也为整个过程增加了一次内存引用,因此一次虚拟地址引用至少需要两个内存读:一个查找哈希页表条目,另一个查找页表。为了改善性能,可以在访问哈希页表时先查找 TLB。

03 内存分配 | 《操作系统》笔记

http://www.zh0ngtian.tech/posts/3d2e6b4e.html

作者

zhongtian

发布于

2019-05-17

更新于

2023-12-15

许可协议

评论