【大学课件】运行时存储空间的组织和管理

运行时存储空间的组织和管理运行时存储空间是程序在执行期间使用的内存区域，它包括代码段、数据段、堆栈段等。操作系统负责管理和分配这些内存空间，确保不同程序能够安全有效地运行。by什么是运行时存储空间？程序运行时的内存运行时存储空间是指程序在执行过程中使用的内存区域。动态分配和管理运行时存储空间的大小和分配方式是动态的，根据程序的需要进行调整。存储程序和数据运行时存储空间用于存储程序代码、数据、中间结果以及系统资源等。运行时存储空间的结构运行时存储空间，也称为内存空间，是程序在运行时使用的内存区域。它通常由多个逻辑区域组成，每个区域都具有特定的用途和访问权限。这些区域协同工作以确保程序的正确执行和数据完整性。程序的内存分布程序在运行时，操作系统会为其分配一块内存空间。该内存空间被划分为不同的区域，每个区域用于存储不同的数据和代码。这些区域包括代码段、数据段、栈和堆，它们共同构成了程序的运行环境。代码段存放可执行指令程序代码被编译后生成的可执行指令存储在代码段中，程序运行时CPU直接从代码段中获取指令。只读属性代码段通常被设置为只读属性，以防止程序意外修改自身指令，保证程序的正确性和安全性。数据段全局变量数据段存储程序中定义的全局变量，例如函数外部定义的变量和常量。静态变量数据段还包含静态变量，这些变量在程序运行期间保持其值，不会被释放。常量程序中定义的常量，例如字符数组、字符串和数值常量。栈栈的定义栈是一种线性数据结构，它遵循后进先出(LIFO)的原则，就像一个堆叠的盘子，最后放进去的盘子最先被取出来。栈的操作栈的主要操作包括压栈(push)、出栈(pop)、获取栈顶元素(peek)以及判断栈是否为空(empty)。栈的应用栈在程序运行时用于存储函数调用、局部变量、参数以及其他临时数据，帮助程序管理运行时环境。堆1动态内存分配堆是程序运行时动态分配内存的区域，用于存储程序运行过程中创建的动态数据。2灵活的内存管理堆允许程序在运行时根据需要分配和释放内存，为程序提供了灵活的内存管理方式。3内存碎片问题由于动态内存分配的特性，堆容易出现内存碎片问题，影响内存利用效率。4内存泄漏风险如果程序没有及时释放不再使用的内存，会导致内存泄漏，最终导致程序崩溃。静态变量存储位置静态变量存储在程序的数据段中。数据段是程序启动时就分配好的内存区域，用于存储全局变量、静态变量和常量。生命周期静态变量的生命周期与整个程序的生命周期相同。当程序启动时，静态变量被分配内存空间，并在程序结束时释放内存空间。动态内存分配运行时分配程序在运行时根据需要申请内存空间，而不是在编译时预先分配。灵活管理动态内存分配允许程序根据实际需求调整内存使用，提高内存利用率。数据结构动态内存分配广泛应用于创建各种数据结构，例如链表、树和图。内存分配算法1首次适配算法从空闲分区列表中找到第一个大于或等于请求大小的分区进行分配。2最佳适配算法从空闲分区列表中找到最接近请求大小的分区进行分配。3最坏适配算法从空闲分区列表中找到最大的分区进行分配。内存分配算法决定了如何将程序所需的内存空间分配给不同的进程或线程。不同的算法在性能、碎片化和效率方面各有优劣。首次适配算法算法概述首次适配算法从内存空闲区域的起始地址开始进行查找，找到第一个大小满足要求的空闲区域，将内存分配给程序。优点算法简单，查找速度快，适合内存碎片较小的场景。缺点容易导致内存碎片化，特别是当程序分配的内存大小不固定时。最佳适配算法11.最小空闲空间最佳适配算法从空闲分区列表中选择与请求大小最接近的空闲分区分配给程序。22.内存碎片该算法能够有效地利用内存空间，减少内存碎片的产生。33.查找效率需要遍历整个空闲分区列表，找到最合适的空闲分区，效率较低。44.复杂度由于需要排序和查找，最佳适配算法的实现相对复杂。最坏适配算法最大可用块最坏适配算法总是选择当前内存中最大空闲块来分配内存。内存碎片导致大量小空闲块无法满足较大的内存请求，内存利用率低。效率低下频繁的内存碎片化会导致程序运行速度变慢，影响性能。内存空间的回收1内存碎片问题内存分配和释放会导致内存空间出现碎片化，降低内存利用率。2内存回收的必要性回收不再使用的内存空间，避免内存泄漏和系统崩溃，提高内存利用率。3内存回收的挑战识别不再使用的内存空间，确保回收过程安全高效，不影响正在运行的程序。垃圾回收机制自动内存管理自动识别和释放不再使用的内存。资源回收回收不再使用的内存资源。性能优化提高程序效率，避免内存泄漏。引用计数法原理每个对象都维护一个引用计数器，当对象被引用时计数器加1，当对象被取消引用时计数器减1。回收当对象的引用计数器变为0时，表示该对象不再被任何地方引用，可以被安全回收。优点实现简单，效率高，适合于实时性要求高的场景。缺点无法解决循环引用的问题，导致内存泄漏。标记-清除法标记阶段标记-清除法首先遍历所有对象，标记所有正在使用的对象。标记过程通常使用可达性分析，从根对象开始，标记所有可达的对象。清除阶段标记完成后，垃圾回收器会扫描整个堆，回收所有未标记的对象。清除阶段可能会导致内存碎片化，因为回收后的空间可能不连续。分代收集法11.分代模型将堆内存划分为新生代和老年代，新生代对象存活时间短，老年代对象存活时间长。22.频繁收集新生代对象存活率低，垃圾回收频率高，采用复制算法进行回收，效率高。33.偶尔收集老年代对象存活率高，垃圾回收频率低，采用标记-整理算法进行回收，效率低。44.优势提高垃圾回收效率，减少程序暂停时间，适合大多数应用场景。内存泄漏问题资源浪费内存泄漏会导致系统性能下降，甚至崩溃。由于程序无法释放不再使用的内存，最终会导致系统资源耗尽。系统性能下降内存泄漏会导致系统运行缓慢，响应时间变长，用户体验下降。这是因为程序需要不断分配新的内存，而旧的内存却无法释放。潜在的安全风险内存泄漏可能会导致程序出现不可预期的行为，甚至被攻击者利用，造成安全隐患。内存泄漏的原因未释放内存程序不再使用的内存区域未及时释放，导致资源浪费。错误指针指针指向了错误的内存地址，导致无法访问或释放内存。循环引用多个对象相互引用，导致内存无法被回收。内存泄漏的检测与诊断内存泄漏的检测与诊断是至关重要的。使用各种工具和技术，例如内存分析器、调试器和日志记录，可以帮助程序员识别内存泄漏的原因。通过仔细分析程序代码，并使用内存分析工具，可以找到内存泄漏的根本原因。内存泄漏的预防和修复内存泄漏是程序运行时动态分配的内存空间无法及时释放，导致系统可用内存逐渐减少，最终可能导致程序崩溃或系统性能下降。要有效预防和修复内存泄漏，需要结合静态分析和动态调试方法。在编写代码时，要养成良好的编程习惯，例如及时释放不再使用的内存，避免使用悬挂指针，使用智能指针等。在程序测试阶段，可以使用内存检测工具，例如Valgrind和AddressSanitizer，对程序进行测试，帮助发现内存泄漏问题。如果发现内存泄漏问题，需要仔细分析代码，找到内存泄漏的根源，并进行修复。修复方法包括：释放不再使用的内存，修改代码逻辑，使用更加安全的内存分配和释放机制等。虚拟内存管理内存空间扩展利用磁盘空间来扩展物理内存，使程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。页面置换算法当内存空间不足时，将一些页面从内存中移出，腾出空间加载新的页面。提高程序效率虚拟内存管理可以提高程序的效率，减少对物理内存的争夺。页面置换算法当内存中没有空闲空间时，需要将一个页面换出到磁盘，将要换入的页面换入内存。页面置换算法决定哪一个页面会被换出。1最佳置换算法(OPT)理论上最佳的算法，但无法实现。2先进先出置换算法(FIFO)最早进入内存的页面被先换出。3最近最少使用置换算法(LRU)最久没有被访问的页面被先换出。4时钟置换算法(CLOCK)LRU算法的简化版本。先进先出置换算法FIFO算法最早进入内存的页面最先被替换。简单易实现，但可能导致效率低下。原理用一个队列来模拟页面的进入和退出。当发生缺页中断时，淘汰队首的页面。算法简单，但可能导致抖动现象，即频繁调入调出页面。最近最少使用置换算法最近最少使用(LRU)算法LRU算法是一种页面置换算法，它会根据页面最近使用的时间来决定哪个页面应该被替换。它假设最近使用的页面更有可能在将来再次被使用，因此，它会将最久未使用的页面替换出来。算法原理LRU算法会维护一个页面使用时间列表，每次页面被访问时，它的使用时间就会更新到列表的头部。当需要进行页面置换时，算法会选择列表尾部的页面进行替换，因为该页面是最久未使用的。优点与缺点LRU算法的优点是能够有效地减少页面置换的次数，从而提高系统性能。但是，该算法需要维护一个页面使用时间列表，这会增加内存开销。时钟置换算法11.指针循环时钟指针指向当前要被替换的页面。22.引用位每个页面都有一个引用位，表示该页面是否被访问过。33.替换逻辑指针指向的页面如果引用位为1，则将其设置为0，指针继续移动；否则，替换该页面，指针指向下一个页面。44.优点实现简单，效率较高。工作集理论程序局部性程序在执行过程中，经常访问的内存区域往往集中在较小的区域内。工作集大小程序在一段时间内频繁访问的内存页面集合被称为工作集，它反映了程序对内存的需求量。工作集理论通过分析程序的工作集，可以优化内存管理策略，提高内存利用率，降低页面置换频率。内存管理应用工作集理论被用于各种内存管理算法，例如页面置换算法，以及虚拟内存管