2024年度华南理工大学操作系统课件第5章内存管理

华南理工大学操作系统课件第5章内存管理12024/2/2目录内存管理概述进程与内存分配策略连续分配管理方式非连续分配管理方式虚拟内存技术及其应用内存保护与安全机制22024/2/2内存管理概述0132024/2/2内存管理是操作系统对计算机内存资源进行分配、保护和回收等操作的一种技术。确保各进程安全、高效地共享内存资源，实现内存空间的合理分配和使用。定义目标内存管理定义与目标42024/2/2内存层次结构与访问方式层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅存等多个层次，各层次之间通过不同的访问方式和速度进行数据传输。访问方式包括直接访问、间接访问和虚拟内存访问等，不同访问方式适用于不同的内存层次和场景。52024/2/2段页式管理结合了段式管理和页式管理的优点，先将内存划分为多个段，每个段内再划分为多个页框，既减少了内部碎片又减少了外部碎片，但增加了系统开销。分区管理将内存划分为若干连续的区域，每个区域分配给一个进程使用，管理简单但容易产生内部碎片。页式管理将内存划分为等长的页框，进程按页为单位进行分配，离散地装入内存中，减少了内部碎片但增大了外部碎片。段式管理将进程按逻辑模块分段，每段分配一个连续的内存区，各段大小不等，可以动态增长和减少，但管理复杂。常见内存管理技术及特点62024/2/2进程与内存分配策略0272024/2/2进程定义进程是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程状态包括就绪状态、执行状态、阻塞状态等，各状态之间可根据需要进行转换。进程控制块（PCB）用于描述进程状态和进程控制信息的数据结构，包括进程标识符、状态、优先级等信息。进程概念及状态转换过程82024/2/2内存分配策略与原则常见的内存分配算法有首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法等，可根据不同需求选择合适的算法。内存分配算法包括连续分配策略和非连续分配策略，连续分配策略要求每个作业在内存中占用连续的空间，非连续分配策略则允许作业在内存中分散存放。内存分配策略包括公平性原则、优先性原则、紧凑性原则等，旨在确保系统资源得到合理分配和使用。内存分配原则92024/2/2典型算法介绍及比较首次适应算法（FirstFit）从内存低端开始查找，找到第一个满足作业大小要求的空闲分区进行分配。最佳适应算法（BestFit）从全部空闲分区中找出能满足作业要求的、且大小最小的空闲分区进行分配。最坏适应算法（WorstFit）从全部空闲分区中找出能满足作业要求的、且大小最大的空闲分区进行分配。算法比较各种算法在内存利用率、系统开销、作业平均周转时间等方面存在差异，需根据实际应用场景进行选择。102024/2/2连续分配管理方式03112024/2/2内存分为系统区和用户区两部分，系统区仅提供给OS使用，用户区是除系统区之外的内存空间，仅提供给用户使用。适用于单用户、单任务的OS，如MS-DOS。实现简单，无外部碎片，但只能用于单用户系统，且存在内部碎片。010203单一连续分配方法实现原理122024/2/2分区式连续分配方法实现原理将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区中只装入一道作业。分区大小应适中，太小不能装入大型作业，太大则可能使内存中分区数很少，导致多道程序并发度下降。分区划分方式包括固定分区和动态分区两种。132024/2/2优点实现简单，易于管理，适用于多道程序系统。缺点存在内部碎片，可能浪费内存空间；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。适用场景适用于需要连续内存空间的作业或进程，如大型科学计算、图像处理等。同时，对于内存空间相对充裕的系统，也可以考虑使用连续分配管理方式。优缺点分析及适用场景142024/2/2非连续分配管理方式04152024/2/2基本概念将进程的逻辑地址空间分成大小相等的页，物理内存分成与页面大小相等的块，称为页框。进程在执行时，以页为单位进行内存分配，不同页可以离散地存放在不同的页框中。优点提高了内存的利用率，减少了内存碎片，实现了离散分配。缺点增加了系统开销，如页表管理、地址转换等；可能存在页面抖动现象。实现原理系统为每个进程建立一张页面映射表，记录逻辑页号到物理页框号的映射关系。当进程需要访问某个逻辑地址时，通过查表找到对应的物理地址，然后进行访问。分页式存储管理基本概念和实现原理162024/2/2基本概念：将进程的地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名（在低级语言中，程序员使用段名来编程），每段从0开始编址。内存分配以段为单位，段与段在内存中可以不相邻接，但逻辑上相邻接。实现原理：系统为每个进程建立一张段表，记录段名、段长、基址等信息。进程通过段表进行地址转换和访问控制。优点：符合程序的模块化设计，便于共享和保护；逻辑清晰，易于管理。缺点：内存利用率较低，可能产生较多的内存碎片；段表管理开销较大。分段式存储管理基本概念和实现原理172024/2/2基本概念将进程地址空间先分段，每段再分页，即先将整个进程地址空间分成若干个大小不等的段，每个段又分成若干个大小相等的页，页的大小与内存物理块的大小相等。系统为每个进程建立一张段表，每个段表中有一项指向该段的页表。页表中记录页号到物理块号的映射关系。进程通过段表和页表进行地址转换和访问控制。结合了分页和分段两种技术的优点，既提高了内存的利用率，又便于实现共享和保护；减少了外部碎片，控制了缺页中断次数。增加了系统开销，如段表、页表的管理和地址转换等；实现复杂，需要硬件和软件的支持。实现原理优点缺点段页式存储管理基本概念和实现原理182024/2/2虚拟内存技术及其应用05192024/2/2虚拟内存是一种内存管理技术，它将程序的逻辑地址空间与物理地址空间分离开来，使得程序可以像拥有连续内存空间一样运行。虚拟内存定义虚拟内存技术利用磁盘等辅助存储器来扩展主存容量，通过将部分程序和数据暂时存放在磁盘上，当需要时再将其调入内存，从而实现对内存空间的动态管理。实现原理虚拟内存概念及实现原理202024/2/2请求分页基本概念请求分页系统是一种基于页面的虚拟内存管理系统，它将程序的地址空间划分为若干个固定大小的页面，并为每个页面分配一个唯一的页面号。工作原理当程序需要访问某个页面时，如果该页面不在内存中，则会产生一个缺页中断。此时，操作系统会将该页面从磁盘调入内存，并更新页表项。如果内存已满，则需要选择一个页面进行置换。请求分页系统工作原理212024/2/2页面置换算法介绍及比较常见的页面置换算法包括最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）和时钟置换算法（CLOCK）等。页面置换算法种类不同的页面置换算法具有不同的优缺点。例如，最佳置换算法具有最低的缺页率，但无法实现；先进先出置换算法实现简单，但可能会置换出经常使用的页面；最近最久未使用置换算法能够较好地反映程序的局部性原理，但需要较多的硬件支持；时钟置换算法则是一种折中的方案。算法比较222024/2/2内存保护与安全机制06232024/2/2防止地址越界确保进程只能访问分配给它的内存区域，防止越界访问其他进程或系统内存。防止非法访问防止进程访问未被授权的内存区域，如内核空间或其他进程的私有数据。内存保护方法采用硬件和软件相结合的方法，如内存管理单元（MMU）和操作系统提供的内存保护机制。内存保护目标和方法030201242024/2/2进程地址空间01每个进程拥有独立的地址空间，进程间的地址空间相互隔离。02地址映射将虚拟地址映射到物理地址，进程只能访问映射到其地址空间的物理内存。03地址空间隔离通过地址映射和访问权限控制，实现不同进程地址空间的完全隔离。地址空间隔离技术25202