《存储器管理》课件

存储器管理存储器管理是操作系统中的一个重要模块,负责管理系统的内存资源,确保程序能够安全、高效地访问内存。课程简介课程目标本课程旨在全面介绍计算机存储器的分类、层次结构及其管理机制,帮助学生深入理解内存管理的原理和实现。知识涵盖课程将涵盖主存储器管理、虚拟存储器管理、文件存储管理等内容,为学生奠定扎实的计算机系统基础。课程安排该课程将通过深入浅出的PPT讲解、实践案例分析等方式,帮助学生全面理解存储器管理的原理和实践。存储器管理概述存储器管理是操作系统的核心功能之一。它负责分配、保护和管理计算机系统中的各种存储资源,确保数据和程序能够正确地存储和访问。存储器管理涉及主存储器、虚拟存储器以及外部存储器等各个层次。存储器管理的主要目标是提高存储资源的利用率,并确保系统的可靠性、安全性和实时性。它需要解决诸如地址映射、内存分配、页面置换等复杂问题,是操作系统设计的关键所在。存储器分类主存储器主存储器又称为内存或RAM，用于存储程序和数据，实现高速访问。辅助存储器也称为外存，包括硬盘驱动器、光盘驱动器等，用于长期存储大量数据。高速缓存位于CPU和主存之间，用于减少CPU访问主存的延迟。寄存器位于CPU内部，用于存储少量数据和地址信息，速度最快。存储器层次结构1主存储器主存储器是计算机系统中最快的存储设备,用于存储正在运行的程序和数据。它通常采用DRAM或SRAM技术制造。2缓存存储器缓存存储器位于CPU和主存储器之间,用于缓存频繁访问的数据和指令,提高访问速度。缓存分为L1、L2和L3三级。3辅助存储器辅助存储器通常指硬盘、光盘等二级存储设备,用于存储大容量但访问速度较慢的数据。它们通过I/O总线与CPU连接。主存储器管理1内存分配根据进程需求动态分配内存2内存保护防止进程间内存非法访问3内存回收及时回收不再使用的内存块主存储器管理是操作系统的核心功能之一。它负责将内存空间合理分配给各个进程,保护进程间内存的隔离,并及时回收不再使用的内存块,确保系统内存资源的高效利用。这些功能的实现是操作系统提供虚拟内存机制的基础。地址转换机制1虚拟地址空间每个进程都有独立的虚拟地址空间,为程序访问内存提供了统一的视图。2硬件支持处理器通过地址转换机制,将虚拟地址映射到物理内存地址,实现内存管理。3页表与段表操作系统维护页表和段表,记录虚拟地址到物理地址的映射关系。4动态重定位地址转换允许进程动态获取和释放内存,提高内存利用率。虚拟存储器概述虚拟存储器是一种将物理内存和辅助存储器（通常是硬盘）结合起来的存储器管理技术。它可以为每个进程提供一个连续的地址空间,简化了程序的开发与管理。虚拟存储器的核心是通过页式或段式管理,实现物理内存和辅助存储器之间的动态映射,根据需求动态调度数据载入内存,提高了内存利用率和系统性能。页式虚拟存储器地址空间分割页式虚拟存储器将进程的地址空间划分为固定大小的页面,并将其映射到物理内存的页框上。页表管理操作系统使用页表来跟踪每个页面的物理位置,并进行地址转换。页面置换当物理内存不足时,操作系统会使用页面置换算法将部分页面换出到辅助存储器。灵活性页式虚拟存储器可以根据进程需求动态分配和管理物理内存,提高内存利用率。页面置换算法FIFO（先进先出）根据进入内存的先后顺序进行页面置换，淘汰最早进入内存的页面。简单易实现，但可能会淘汰仍有使用价值的页面。LRU（最近最少使用）淘汰近期最长时间未使用的页面。能更好地反映页面的使用情况，但需要记录每个页面的使用历史，实现复杂。OPT（最优置换）淘汰未来最长时间内不会被访问的页面。能提供最优性能，但需要预知未来访问情况，无法实际实现。NRU（不经常使用）基于页面的使用和修改情况进行淘汰。简单高效，但可能会淘汰仍有使用价值的页面。工作集理论1活跃页面进程在执行过程中实际访问的页面集合2工作集在一定时间窗口内进程访问的页面集合3页面置换策略根据工作集大小调整页面置换策略工作集理论是一种动态管理内存的方法。它根据进程在一定时间窗口内访问页面的情况,动态调整页面置换策略,尽量保证进程能访问到所需的活跃页面,提高内存利用效率。段式虚拟存储器段式概念段式虚拟存储器将进程的地址空间划分为不同大小的段。每一段都作为独立的可交换单元，使用基地址加偏移量进行地址转换。地址转换机制段式存储管理通过段表记录每个段的基地址和长度信息，完成虚拟地址到物理地址的转换。缺页处理当访问一个不在内存的段时会发生缺页中断。操作系统需要将该段调入内存并更新段表，然后重新执行指令。段页式虚拟存储器1结合分段与分页段页式虚拟存储器结合了分段和分页两种虚拟存储器管理技术,将地址空间划分为不同大小的段,并将每个段进一步划分为固定大小的页面。2灵活性和高效性该方法结合了段和页的优势,既能提高空间利用率,又能减少内存碎片,具有较高的灵活性和效率。3地址转换机制通过段页式地址转换机制,可以将虚拟地址转换为物理地址,进而访问对应的物理内存单元。4管理复杂性段页式虚拟存储器管理相比单一的分段或分页方式更为复杂,需要专门的操作系统支持。储存空间分配策略连续分配将进程的所有页面或段连续分配在主存中,提高访存效率,但可能会造成外部碎片。分散分配将进程的页面或段分散存放在主存中,可以减少外部碎片,但访存效率降低。混合分配结合连续分配和分散分配的优点,根据进程特点采用不同的分配策略。存储器分配算法首次适配法(FirstFit)从内存起始位置开始搜索,找到第一个大小合适的空闲块分配给进程。实现简单,但可能产生内部碎片。最佳适配法(BestFit)从所有可用空间中找到最小的满足要求的空闲块分配给进程。降低内部碎片,但可能增加搜索时间。最差适配法(WorstFit)从所有可用空间中找到最大的满足要求的空闲块分配给进程。可能产生更多的内部碎片,但可以保持更多的大块空间。邻近适配法(NextFit)类似于首次适配法,但记录上次分配的位置,从上次分配的下一个位置开始搜索。可以减少内存扫描时间。抖动问题及解决方法性能降低内存抖动会严重影响系统的性能和响应速度。内存使用效率低频繁的内存页面置换和硬盘读写会浪费大量的内存资源。系统不稳定抖动会引发系统频繁的异常情况和崩溃问题。内存抖动是指在虚拟存储器系统中,内存页面频繁地在内存和磁盘之间来回交换,导致系统性能急剧下降的现象。这是由于工作集大小超出了可用内存的限制所致。解决抖动的关键在于合理地调整内存分配策略,提高内存使用效率。共享内存管理访问共享内存多个进程可以通过映射共享内存区域来访问和共享数据，提高程序效率。并发控制为了避免多线程访问共享资源时出现冲突和数据不一致，需要采取适当的并发控制措施。内存分配策略系统需要合理分配共享内存，平衡各进程的需求，提高内存利用率。安全性保证对共享内存的访问需要进行严格的权限控制,防止非法读写操作。内存访问保护机制权限控制通过设置内存页面的访问权限(读、写、执行)来控制进程对内存的访问权限,防止非法访问。隔离内存将内核态和用户态内存空间隔离,进程只能访问自身的内存空间,避免越权访问。页面保护利用页表机制,将内存页面标记为只读、不可执行等,防止进程对这些页面进行非法操作。实时性要求下的内存管理及时响应在实时系统中,内存管理必须能够在固定的时间内完成任务,以确保系统及时响应用户需求。优先级调度实时系统中的进程有不同的优先级,内存管理必须根据优先级安排内存分配和回收。最小化开销内存管理的各项操作,如页面置换、内存分配等,都需要尽量减少时间开销,避免影响系统实时性。外存储器管理外存储器是计算机系统中除主存以外的所有存储设备,包括磁盘、光盘、磁带等。外存储器管理涉及文件管理、磁盘调度、缓存管理等多个方面,确保存储设备的高效利用和数据安全。外存储器管理的主要任务包括:合理分配存储空间、优化磁盘访问顺序、缓存常用数据等,提高整个计算机系统的性能和可靠性。同时还需要保护文件不被非法访问或修改,确保数据安全。磁盘管理概述磁盘存储结构磁盘由多个圆盘组成,每个圆盘表面分为多个磁道,每个磁道又分为多个扇区,这些构成了磁盘的基本存储单元。磁盘访问时间磁盘访问时间包括寻道时间、旋转延迟时间和数据传输时间,是决定磁盘性能的关键。磁盘调度算法为提高磁盘利用率和访问效率,操作系统需要采用合适的磁盘调度算法,如先来先服务、最短寻道时间优先等。磁盘缓存管理操作系统通过缓存管理技术,如预读、写回等,可以进一步提高磁盘的访问性能。磁盘调度算法寻道时间优化磁盘调度算法旨在最小化磁头寻道时间,提高磁盘IO效率。不同算法采用不同的策略来安排请求的执行顺序。队列调度策略调度算法根据请求队列中的请求位置信息,制定执行顺序,如先来先服务、最短寻道时间优先等。分区调度策略将磁盘空间划分为多个区域,针对每个区域采用不同的调度算法,提高整体调度效率。缓存管理1提高存取效率缓存管理通过将频繁访问的数据存储在快速的存储介质中,可以大幅提高系统的整体访问速度。2数据预取与淘汰缓存管理包括根据访问模式主动预取数据,并根据替换算法淘汰闲置数据的机制。3硬件与软件协作高效的缓存管理需要操作系统软件与硬件存储设备紧密协作,利用各自的优势。4性能优化至关重要对于现代复杂的计算系统来说,缓存管理是性能优化的关键所在,直接影响整体系统的吞吐量。文件管理文件创建根据用户需求和系统要求,创建各种类型的文件。确保文件信息完整、格式规范、易于管理和访问。文件操作提供对文件的打开、读写、修改和关闭等基本操作。确保文件内容的安全性和一致性。文件组织采用合理的目录结构和命名规则,便于用户快速定位和管理文件。支持文件的分类、搜索和备份。文件共享支持多用户之间的文件共享和协作,并设置适当的访问权限控制,确保文件安全性。文件系统结构1层次结构文件系统通常采用层次结构组织文件和目录,从根目录开始一直到各个子目录和文件。这种结构清晰直观,方便管理和查找。2目录管理目录记录了文件的位置、属性和访问权限等信息。系统通过目录结构提供文件的组织和访问功能。3元数据管理文件系统还需要管理文件创建时间、修改时间、大小、所有者等元数据,用于文件检索和管理。文件存储分配策略连续分配文件连续存储在磁盘上,读取时无需寻道,访问效率高。但会产生内部碎片浪费存储空间。链式分配文件以链表形式存储,通过指针链接各个逻辑块。可灵活分配空间,但读写性能较差。索引分配文件通过索引块管理存储位置,可快速定位文件各部分,适用于大文件管理。但需要额外的索引空间。文件共享与保护文件共享文件共享允许多个用户访问和修改同一个文件。这可以提高工作效率,但也需要妥善管理权限。访问控制机制通过用户身份验证和权限控制,可以确保每个用户只能执行被授权的文件操作。版本管理版本控制系统可以跟踪文件的修改历史,避免文件的误删和覆盖,确保文件的完整性。文件系统安全1访问控制通过文件和目录权限管理,对用户访问权限进行严格控制,确保只有授权用户能访问相关文件。2加密保护采用文件加密技术,对敏感文件进行加密保护,防止未经授权的访问和泄露。3身份验证要求用户进行身份验证后才能访问文件系统,从而确保只有合法用户才能获得访问权限。4审计跟踪记录文件系统的访问和操作情况,以便及时发现和追查非法行为。设备管理I/O设备管理操作系统负责管理各种I/O设备,如键盘、鼠标、显示器、打印机等,确保它们能与计算机系统顺利交互。设备驱动程序每种I/O设备都需要特定的设备驱动程序,操作系统通过驱动程序与设备进行沟通和控制。设备分配策略操作系统会根据用户需求合理分配设备资源,并采取相应的调度算法来管理设备的使用。故障处理当设备出现故障时,操作系统需要及时检测并进行故障诊断和处理,保证系统的正常运行。输入输出设备管理多样化设备管理计算机系统需要管理各种输入和输出设备,包括键盘、鼠标、打印机、扫描仪等。每种设备都有特定的驱动程序和接口标准。统一的设备接口操作系统提供了一个统一的设备接口层,