操作系统体系结构和内存分层

计算机体系结构、内存分层体系

计算机基础硬件：

• CPU:
• 内存:
• 设备IO:

内存的层次结构（从上到下速度一次递减）：

• 寄存器
• cache
• 主存(物理内存)：
• 磁盘(虚拟内存)：

操作系统内核-内存管理的目标：

• 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

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

实现高度依赖于硬件

• 必须知道内存架构
• MMU(内存管理单元)：硬件组负责处理CPU的内存访问请求

地址空间&地址生成

• 物理地址空间：硬件支持的值空间
• 逻辑地址空间：一个运行程序所拥有的内存范围

逻辑地址和物理地址转换

CPU方面：

• 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间的映射
• 控制器从总线中发送在物理地址的内存请求

内存方面：

• 内存发送物理地址内存中的内容给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

简单的内存管理方法

当一个程序准许运行在内存中时，分配一个连续的区间

分配一个连续的内存区间给运行的程序以访问数据

分配策略：

第一适配:

为了分配n字节，使用第一个可用空闲块以致块的尺寸比n大；

需求：按照地址排序的空闲块列表，分配需要寻找一个合适的分区，重分配需要检查看是否自由分区能合并于相邻的空闲分区。

优点：易于产生更大的空闲块，向着地址空间的结尾。

缺点：容易产生外部碎片，不确定性。

最佳适配:

为了避免分割大的空闲块，为了最小化外部碎片产生的尺寸

需求：按照尺寸排列的空闲块列表，分配需要寻找一个合适的分区，重分配需要搜索以及合并于相邻的空闲分区。

优点：当大部分分配是小尺寸时非常有效，比较简单

缺点：外部碎片，重分配慢，易产生很多没用的微小碎片

最差适配:

为了避免有太多微小碎片

需求：按尺寸配列的空闲块列表，分配很快，重新分配需要合并于相邻的空闲分区，然后调整空闲块列表

优点：假如分配是中等尺寸效果最好

缺点：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

• 通过拷贝方式将碎片内存块整理成连续的内存块

• 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&回收他们的内存