單、多道編程操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理

1.單道編程的內(nèi)存管理

在單道編程環(huán)境下解阅，整個(gè)內(nèi)存里面只有兩個(gè)程序：一個(gè)是用戶(hù)程序落竹，另一個(gè)是操作系統(tǒng)。由于只有一個(gè)用戶(hù)程序货抄，而操作系統(tǒng)所占用的內(nèi)存空間是恒定的述召，我們可以將用戶(hù)程序總是加載到同一個(gè)內(nèi)存地址上。即用戶(hù)程序永遠(yuǎn)從同一個(gè)地方開(kāi)始執(zhí)行蟹地。

在這種管理方式下桨武，操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)跳轉(zhuǎn)到同一個(gè)地方來(lái)啟動(dòng)用戶(hù)程序。這樣锈津，用戶(hù)程序里面的地址都可以事先計(jì)算出來(lái)呀酸，即在程序運(yùn)行前就計(jì)算出所有的物理地址。這種在運(yùn)行前即將物理地址計(jì)算好的方式叫做靜態(tài)地址翻譯琼梆。

固定地址的內(nèi)存管理單元非常簡(jiǎn)單性誉，實(shí)際上并不需要任何內(nèi)存管理單元。因?yàn)槌绦虬l(fā)出的地址已經(jīng)是物理地址茎杂，在執(zhí)行過(guò)程中無(wú)須進(jìn)行任何地址翻譯错览。而這種情況的直接結(jié)果就是程序運(yùn)行速度快，因?yàn)樵竭^(guò)了地址翻譯這個(gè)步驟煌往。

缺點(diǎn)：

1.整個(gè)程序要加載到內(nèi)存空間中去倾哺，將導(dǎo)致比物理內(nèi)存大的程序無(wú)法運(yùn)行。

2.只運(yùn)行一個(gè)程序造成資源浪費(fèi)刽脖，如果一個(gè)程序很小羞海，雖然所用內(nèi)存空間小，但剩下的內(nèi)存空間也無(wú)法使用曲管。

3.程序可能無(wú)法在不同的操作系統(tǒng)下運(yùn)行却邓，因?yàn)椴煌僮飨到y(tǒng)占用的內(nèi)存空間大小可能不一樣，使得用戶(hù)程序的起始地址可能不一樣院水。這樣在一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境下編譯出來(lái)的程序很可能無(wú)法在另一個(gè)系統(tǒng)環(huán)境下執(zhí)行腊徙。

2.多道編程的內(nèi)存管理

多道編程可以極大地改善CPU和內(nèi)存的效率，改善用戶(hù)響應(yīng)時(shí)間檬某，但代價(jià)是操作系統(tǒng)的復(fù)雜性撬腾。

因?yàn)槎嗟谰幊痰那闆r下，無(wú)法將程序總是加到固定的內(nèi)存地址上恢恼，也就是無(wú)法使用靜態(tài)地址翻譯民傻。這樣我們就必須在程序加載完畢后才能計(jì)算物理地址，也就是在程序運(yùn)行時(shí)進(jìn)行地址翻譯，進(jìn)行從虛擬地址->物理地址的翻譯饰潜，這種翻譯稱(chēng)為動(dòng)態(tài)地址翻譯。

多道編程下的內(nèi)存管理策略有兩種：固定分區(qū)和非固定分區(qū)和簸。

2.1 固定分區(qū)的多道編程內(nèi)存管理策略

固定分區(qū)的管理就是將內(nèi)存分為固定的幾個(gè)區(qū)域彭雾，每個(gè)區(qū)域的大小固定。最下面的分區(qū)為操作系統(tǒng)占用锁保，其他分區(qū)由用戶(hù)程序使用薯酝。這些分區(qū)大小可以一樣，也可以不一樣爽柒∥獠ぃ考慮到程序大小不一的實(shí)際情況，分區(qū)的大小通常也各不相同浩村。當(dāng)需要加載程序時(shí)做葵，選擇一個(gè)當(dāng)前閑置且容量夠大的分區(qū)進(jìn)行加載。

共享隊(duì)列的固定分區(qū)策略

這種模式下心墅，當(dāng)一個(gè)新的程序想要運(yùn)行酿矢，必須排在一個(gè)共同的隊(duì)列里等待。當(dāng)有空閑分區(qū)時(shí)怎燥，才能進(jìn)行加載瘫筐。由于程序大小和分區(qū)大小不一定匹配，有可能形成一個(gè)小程序占用一個(gè)大分區(qū)的情況铐姚，從而造成內(nèi)存里雖然有小分區(qū)閑置策肝，但無(wú)法加載大程序的情況。

分開(kāi)隊(duì)列的固定分區(qū)策略

為解決上述問(wèn)題隐绵，我們可以將小程序加載到小分區(qū)里之众，讓不同的分區(qū)有不同的隊(duì)列，程序就可以分配到大小更合適的內(nèi)存空間依许。當(dāng)然酝枢，這種方式也有缺點(diǎn)，就是如果還有空閑分區(qū)悍手，但等待的程序不在該分區(qū)的等待隊(duì)列上帘睦，就將造成有空間而不能運(yùn)行程序的尷尬處境。

2.2非固定分區(qū)的多道編程內(nèi)存管理策略

非固定分區(qū)的思想很簡(jiǎn)單：當(dāng)一個(gè)程序需要占用內(nèi)存空間時(shí)坦康，就在該片空間里面分出一個(gè)大小剛剛滿(mǎn)足程序所需的空間竣付；再來(lái)一個(gè)程序，則在剩下的空間里面再這樣分出一塊來(lái)滞欠。在這種模式下古胆，一個(gè)程序可以加載到任何地方。

非固定分區(qū)內(nèi)存地址管理的機(jī)制也很簡(jiǎn)單，使用基址+極限來(lái)進(jìn)行地址翻譯逸绎。

即：

? ? 物理地址=虛擬地址+程序所在區(qū)域的起始地址

這種方式可以對(duì)每一個(gè)程序配備兩個(gè)寄存器：基址寄存器和極限寄存器惹恃。所有訪(fǎng)問(wèn)地址都必須在這兩個(gè)寄存器值框定的空間里，否則就算非法訪(fǎng)問(wèn)棺牧。

非固定分區(qū)這種管理方式存在一個(gè)重大問(wèn)題：如果程序在執(zhí)行過(guò)程中需要更多空間巫糙，怎么辦？解決的辦法當(dāng)然是在一開(kāi)始給程序分配空間時(shí)就分配足夠大的空間颊乘，留有一片閑置空間供程序增長(zhǎng)用参淹。不過(guò)，在分配增長(zhǎng)空間后需要考慮一個(gè)問(wèn)題乏悄。一個(gè)程序的空間增長(zhǎng)通常有兩個(gè)來(lái)源：數(shù)據(jù)和棧浙值。

分配增長(zhǎng)空間

1.數(shù)據(jù)和棧往一個(gè)方向增長(zhǎng)。缺點(diǎn)：當(dāng)下面的數(shù)據(jù)長(zhǎng)到上面數(shù)據(jù)所分配空間的底時(shí)檩小，就無(wú)法再長(zhǎng)了开呐；而移動(dòng)棧底非常不方便。

棧和數(shù)據(jù)同向生長(zhǎng).jpg

2.數(shù)據(jù)和棧相對(duì)而生長(zhǎng)规求。這是UNIX采取的策略负蚊。

棧和數(shù)據(jù)相向生長(zhǎng).jpg

重疊

如果一個(gè)程序超過(guò)了物理內(nèi)存，還能運(yùn)行嗎颓哮？

其實(shí)是能的家妆。這個(gè)辦法就是重疊。

重疊冕茅，就是將程序按照功能分成一段一段功能相對(duì)完整的單元伤极，一個(gè)單元執(zhí)行完后，再執(zhí)行下一個(gè)單元姨伤，而一旦執(zhí)行到下一個(gè)單元哨坪，就不會(huì)再執(zhí)行前面的單元。所以我們可以把后面的程序單元內(nèi)存數(shù)據(jù)覆蓋到當(dāng)前程序單元上乍楚。這樣就可以執(zhí)行一個(gè)比物理內(nèi)存還要大的程序当编。

但是這相當(dāng)于把內(nèi)存管理的部分功能交給了用戶(hù)，不能算是操作系統(tǒng)提供的解決方案徒溪。

雙基址

如果我們運(yùn)行兩個(gè)一樣的程序忿偷，只是數(shù)據(jù)不同，我們自然想到能否讓兩個(gè)程序共享部分內(nèi)存空間臊泌。例如鲤桥，如果我們同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)PPT演示文稿，我們希望PPT的程序代碼部分能夠共享渠概。

設(shè)定兩組基址和極限茶凳。數(shù)據(jù)和代碼分別用一組基址和極限表示嫂拴，這就解決了問(wèn)題。

雙基址.jpg

2.3 交換內(nèi)存管理

問(wèn)題是程序在運(yùn)行之前贮喧，我們無(wú)法知道它需要內(nèi)存的準(zhǔn)確大小筒狠，所以?xún)?nèi)存增長(zhǎng)的問(wèn)題仍需解決，而交換就是一個(gè)方式箱沦。

交換是當(dāng)一個(gè)程序所占空間不夠時(shí)辩恼，我們將其倒到磁盤(pán)上，再加載到一片更大的內(nèi)存空間饱普。

總結(jié)

到目前為止运挫，本書(shū)已經(jīng)介紹了幾種基本的內(nèi)存管理方法状共，分別是固定加載地址的內(nèi)存管理套耕、固定分區(qū)的內(nèi)存管理、非固定分區(qū)的內(nèi)存管理和交換內(nèi)存管理峡继。其中冯袍，以交換內(nèi)存管理最為靈活和先進(jìn)。它可以解決因程序所需空間增長(zhǎng)而無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行的困難碾牌，又可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多道編程康愤。

但事實(shí)上，這種策略存在很多重大問(wèn)題舶吗，而其中最重要的兩個(gè)問(wèn)題是空間浪費(fèi)和程序大小受限征冷。

為解決這些問(wèn)題，出現(xiàn)了頁(yè)式內(nèi)存管理和段式內(nèi)存管理誓琼。

參考資料：

《操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理》 鄒恒明著

作者：一百歐姆

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