第4章 存储器管理
主存：保存进程运行时的程序和数据
寄存器：速度最快，价格昂贵容量不大，一般以字为单位，只要存放指令一次操作的数据就够了 。
高速缓存：将短时间内经常访问的部分数据从内存放到高速缓存中，减少CPU访问内存的时间，是基于程序局部性。
磁盘缓存：内存的一部分，将频繁使用的一部分磁盘数据信息预读入在磁盘缓存，减少磁盘读写时间。
存储器管理重点是内存管理，对其有效的管理直接影响存储器的利用率、系统性能。
1）存储器资源的分配和回收
2）地址变换（逻辑地址与物理地址的对应关系维护）
3）存储共享和保护
4）虚拟存储的调度算法
1、程序的装入和链接
1）地址的概念
逻辑地址（相对地址，虚地址）
用户的程序经过汇编或编译后形成目标代码，目标代码中的指令地址是相对地址。
一般首地址为0，其余指令中的地址都相对于首地址来编址。
不能用逻辑地址在内存中读取信息
物理地址（绝对地址，实地址）
内存中存储单元的地址。
物理地址可直接寻址被执行。
2、连续分配方式
为一个用户程序分配一个连续的内存空间
20世纪六、七十年代的OS中，分类：
（1）单一连续分配：内存分为系统区和用户区两部分：
系统区：仅提供给OS使用，通常放在内存低址部分
用户区：除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。
（2）固定分区分配：把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用进程占用一个分区。操作系统占用其中一个分区。
（3）动态分区分配：分区的大小不固定：在装入程序时根据进程实际需要，动态分配内存空间，即——需要多少划分多少。
空闲分区表项：从1项到n项：
内存会从初始的一个大分区不断被划分、回收从而形成内存中的多个分区。
分区分配算法：动态分区方式，分区多、大小差异各不相同，此时把一个新作业装入内存，更需选择一个合适的分配算法，从空闲分区表/链中选出一合适分区
首次适应算法FF
循环首次适应算法
最佳适应算法
最差适应算法
快速适应算法
①首次适应算法FF(first-fit)
空闲分区排序：以地址递增的次序链接。
检索：分配内存时，从链首开始顺序查找直至找到一个大小能满足要求的空闲分区；
分配：从该分区中划出一块作业要求大小的内存空间分配给请求者，余下的空闲分区大小改变仍留在空闲链中。
若从头到尾检索不到满足要求的分区则分配失败
②循环首次适应算法 (next-fit)
空闲分区排序：按地址
检索：从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个能满足要求的空闲分区。为实现算法，需要：设置一个起始查寻指针、采用循环查找方式
分配：分出需要的大小
③最佳适应算法 (best-fit)：总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业，避免“大材小用”。
空闲分区排序：所有空闲分区按容量从小到大排序成空闲分区表或链。
检索：从表或链的头开始，找到的第一个满足的就分配
分配：分出需要的大小
④最差适应算法/最坏匹配法(worst-fit)：基本不留下小空闲分区，但会出现缺乏较大的空闲分区的情况。
⑤快速适应算法
根据进程常用空间大小进行划分，相同大小的串成一个链，需管理多个各种不同大小的分区的链表。进程需要时，从最接近大小需求的链中摘一个分区。类似的：伙伴算法
能快速找到合适分区，但链表信息会很多；实际上是空间换时间。
伙伴系统
分区大小有规定，且分区动态变化
1.无论已分配还是空闲分区，大小都为2的k此幂。若整个可分配空间大小为2m，则1≤k≤m.
2.随着系统运行，内存被不断划分，形成若干不连续的空闲分区。对每一类具有相同大小的空闲分区设置一双向链表，即会有k个链表，链表中的分区大小都是2m。
3.进程申请n个大小的空间时，计算n= 2i。则找i对应的链表。若i大小的链表没有，则找i+1的链表。找到的分区对半划分后，一半用于分配，一半链接到较小一级的链表里去。
4.一次分配和回收都可能对应多次的划分和合并。
（4）动态重定位分区分配
3. 基本分页存储管理方式
1）页面的概念：内存划分成多个小单元，每个单元K大小，称（物理）块。作业也按K单位大小划分成片，称为页面。
2）页表的概念：为了找到被离散分配到内存中的作业，记录每个作业各页映射到哪个物理块，形成的页面映射表，简称页表。
规律：
作业相对地址在分页下不同位置的数有一定的意义结构：
页号+页内地址（即页内偏移）
关键的计算是：根据系统页面大小找到不同意义二进制位的分界线。
从地址中分析出页号后，地址映射只需要把页号改为对应物理块号，偏移不变，即可找到内存中实际位置。
地址变换过程
分页系统中，进程创建，放入内存，构建页表，在PCB中记录页表存放在内存的首地址及页表长度。
1.运行某进程A时，将A进程PCB中的页表信息写入PTR中；
2.每执行一条指令时，根据分页计算原理，得到指令页号X和内部偏移量Y；
3.CPU高速访问PTR找到页表在哪里；
4.查页表数据，得到X实际对应存放的物理块，完成地址映射计算，最终在内存找到该指令。
访问内存的有效时间
进程发出逻辑地址的访问请求，经过地址变换，到内存中找到对应的实际物理地址单元并取出数据，所需花费的总时间，称为内存的有效访问时间EAT（effective access time）
设访问一次内存时间为t，则基本分页机制下EAT=2t，why？
CPU操作一条指令需访问内存两次：
访问内存中的页表（以计算指令所在的实际物理地址）
访问指令内存地址
4.基本分段存储管理方式
分段存储管理：作业分成若干段，各段可离散放入内存，段内仍连续存放。
1）分段系统的基本原理
程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，每个段定义一组逻辑信息。如代码段（主程序段main，子程序段X）、数据段D、栈段S等。
3）分页和分段的主要区别
1.需求：分页是出于系统管理的需要，是一种信息的物理划分单位，分段是出于用户应用的需要，是一种逻辑单位，通常包含一组意义相对完整的信息。
一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。
2.大小：页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。分段没有内碎片，但连续存放段产生外碎片，可以通过内存紧缩来消除。相对而言分页空间利用率高。
3.逻辑地址：
分页是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；
分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。
4.其他：通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。分段模式下，还可针对不同类型采取不同的保护；按段为单位来进行共享
