《操作系统内存》课件

操作系统内存操作系统内存管理是操作系统中至关重要的部分，负责管理系统内存资源的分配和使用。内存是计算机系统中用来存储数据和程序的硬件资源，操作系统需要合理地管理内存，才能保证程序正常运行。什么是内存计算机系统的核心组件内存是计算机系统中用于存储程序和数据的核心组件，是CPU直接访问和操作的区域。临时存储内存是一种易失性存储器，数据存储在内存中时，当电源关闭，数据就会丢失。高速访问内存的访问速度非常快，CPU可以快速从内存中读取或写入数据，从而提高计算机的运行速度。内存的基本结构主板主板是电脑的核心部件，提供内存和其他硬件的连接接口。内存条内存条是电脑的临时存储器，用于存放正在运行的程序和数据。内存芯片内存芯片是内存条的核心组件，用于存储数据。内存控制器内存控制器负责管理内存的访问，控制内存的读写操作。内存地址空间内存地址空间是指系统为每个进程分配的逻辑地址范围，它是一个抽象概念，用于描述内存的组织方式和访问方法。每个进程都有其自己的内存地址空间，地址空间可以是连续的，也可以是离散的，具体取决于内存管理方案。0x0000起始地址内存地址空间的起始地址通常为0x0000，表示内存的第一个字节。0xFFFFFFFF结束地址内存地址空间的结束地址通常为0xFFFFFFFF，表示内存的最后一个字节。逻辑地址和物理地址11.逻辑地址逻辑地址由程序员使用，用于访问内存中的数据。22.物理地址物理地址是内存芯片上的实际地址，由内存控制器使用。33.转换操作系统使用内存管理单元(MMU)将逻辑地址转换为物理地址。44.优点逻辑地址和物理地址的分离提高了内存管理的灵活性。内存管理的目标提高内存利用率，减少内存浪费。提高程序运行效率，加快程序执行速度。保护用户程序，防止程序相互干扰。支持程序共享，减少内存占用空间。内存管理的基本问题内存碎片化内存分配后，空闲内存被分割成多个碎片，无法满足较大的内存请求。解决方法包括压缩内存或使用动态内存分配算法。内存泄漏程序分配的内存未释放，导致可用内存越来越少。解决方法包括使用内存跟踪工具和编写良好的代码。连续内存分配1单一连续分配程序作为一个整体分配到一块连续的内存空间。2固定分区分配将内存划分为多个固定大小的分区，每个程序只能分配到一个分区。3可变分区分配程序根据其大小动态地分配内存空间，内存空间可以被分割和合并。离散内存分配1分区分配操作系统将内存划分成若干个大小不同的分区2伙伴系统内存空间按2的幂次方划分成多个大小相等的块3页式分配将内存分成大小相等的页，进程分配内存时分配页4段式分配将内存分成大小不一的段，进程分配内存时分配段离散内存分配是一种将内存划分成多个独立的内存块，然后分配给不同进程的方式优点：提高内存利用率，防止内存碎片缺点：管理复杂，可能会导致外部碎片页式内存管理页式存储管理将逻辑地址空间划分为大小相等的页面，物理地址空间也划分为大小相等的物理块。页面映射建立逻辑页面与物理块之间的映射关系，即页表，记录页面的位置信息。地址转换通过页表进行地址转换，将逻辑地址转换为物理地址，访问相应的内存区域。段式内存管理1段式内存管理将程序划分为多个逻辑段2逻辑地址由段号和段内偏移量组成3物理地址将逻辑地址转换为物理地址4段表存储每个段的起始地址和长度5内存分配按段分配内存空间段式内存管理将程序划分为多个逻辑段，每个段对应一个独立的地址空间。逻辑地址由段号和段内偏移量组成，物理地址是通过段表将逻辑地址转换为实际的内存地址。段表存储每个段的起始地址和长度，用于定位每个段在内存中的位置。内存分配按段进行，每个段可以独立地分配内存空间。段页式内存管理1段页式内存管理结合段式和页式管理2段表段地址映射到页表3页表页地址映射到物理地址4逻辑地址由段号和段内偏移组成段页式内存管理是一种将内存分成段和页，并使用段表和页表进行地址转换的内存管理方案。段表用于将段地址映射到页表，页表用于将页地址映射到物理地址。这种方案结合了段式和页式管理的优点，可以提高内存利用率和程序共享能力。页面置换算法11.页面置换算法当内存中没有足够的空闲空间时，操作系统需要从内存中选择一个页面来移除，以便为新的页面腾出空间。22.页面置换算法目标选择一个页面进行移除，最大限度地减少页面错误率，提高系统性能。33.页面置换算法类型常用的页面置换算法包括：FIFO、LRU、OPT、时钟算法。44.页面置换算法影响不同的算法对页面错误率的影响不同，需要根据具体情况选择合适的算法。最近未使用页面置换算法算法原理最近未使用页面置换算法，也称为NRU算法。该算法通过跟踪每个页面最后一次使用的时间来确定要替换的页面。算法维护一个引用位，当页面被访问或修改时，引用位被置位为1。算法会选择引用位为0的页面进行替换。优点该算法相对简单易实现，且能够有效地减少页面置换次数。缺点该算法存在一定的局限性，例如对于频繁访问的页面，其引用位可能始终为1，导致算法无法对其进行替换。应用场景该算法适用于一些简单的操作系统环境，例如小型嵌入式系统。最近最少使用页面置换算法算法概述最近最少使用(LRU)算法是一种页面置换算法，它假设最近最少使用的页面不太可能被再次使用。工作原理LRU算法跟踪每个页面最后一次访问的时间，并选择最长时间未访问的页面进行替换。实现方式LRU算法可以通过使用一个页面列表或链表来实现，该列表按最近访问的时间排序。时钟页面置换算法循环指针维护一个循环指针，指向当前要被替换的页面。引用位每个页面帧都有一个引用位，记录该页面是否被访问过。页面替换指针循环遍历页面帧，找到引用位为0的页面，将其替换。工作集内存管理策略工作集工作集是指进程在一段时间内频繁访问的页面集合。工作集的大小会随着时间推移而变化，当进程访问新的页面时，工作集会扩大，而当进程不再访问某些页面时，工作集会缩小。工作集策略工作集策略是一种内存管理策略，它试图将每个进程的工作集保留在内存中，以减少页面置换的频率，提高系统性能。策略实现工作集策略通常通过维护一个工作集窗口来实现，窗口内的页面会被保留在内存中，而窗口外的页面会被置换出去。优势工作集策略可以有效地减少页面置换的频率，提高系统性能，但它也需要额外的内存空间来存储工作集。抖动问题及其解决内存抖动频繁页面置换导致进程在内存和磁盘之间频繁切换，降低系统效率。原因工作集过大，导致频繁页面置换。内存分配不足，导致页面竞争。解决方案优化工作集大小，合理分配内存，使用更有效的页面置换算法。内存管理中的虚拟内存1扩展物理内存虚拟内存允许操作系统使用比物理内存更大的地址空间，为应用程序提供更多可用内存。2提高内存利用率多个进程可以同时运行，即使它们的总内存需求超过物理内存，提高内存利用率。3简化内存管理程序员可以编写更大内存需求的程序，而不必担心物理内存的限制。虚拟页式存储器虚拟页式存储器是一种常用的虚拟内存技术，它将程序的地址空间划分为固定大小的页，并通过页表将这些虚拟页映射到物理内存中。当程序需要访问某个虚拟页时，操作系统会检查页表，如果该页已经映射到物理内存，则直接访问；否则，需要进行缺页中断处理，将该页从磁盘加载到内存中。缺页中断处理1缺页中断发生操作系统检测到缺页中断2查找页面操作系统在磁盘上查找缺失的页面3加载页面操作系统将缺失页面加载到内存4恢复执行操作系统恢复被中断的程序执行缺页中断处理是虚拟内存管理的核心机制之一。它允许操作系统在需要时将磁盘上的数据加载到内存中，从而扩展了系统可用的内存空间。页面置换算法性能分析页面置换算法的性能评估指标包括缺页率和命中率，不同的页面置换算法在不同场景下性能表现差异明显。选择合适的页面置换算法对于提高内存利用率和系统效率至关重要。缺页率命中率内存层次结构硬盘容量大，成本低，速度慢，用于存储数据和程序。内存速度快，成本高，容量小，用于存放当前运行的程序和数据。高速缓存速度最快，成本最高，容量最小，用于存放内存中访问频率最高的程序和数据。高速缓存存储器高速缓存存储器（Cache）是一种速度非常快的存储器，它位于CPU和主内存之间，用于存储CPU最常访问的数据和指令。高速缓存存储器通常使用比主内存更快的存储技术，例如SRAM，并且容量较小。当CPU需要访问数据时，它首先检查高速缓存存储器，如果数据存在于缓存中，则可以直接访问，速度非常快。如果数据不存在于缓存中，则称为缓存未命中，CPU需要从主内存中获取数据，速度较慢。高速缓存存储器的性能取决于缓存的命中率，命中率越高，性能越好。高速缓存设计原理局部性原理程序通常访问内存中的数据和指令具有局部性，即程序倾向于访问最近访问过的数据或指令。高速缓存工作原理高速缓存将一部分常用数据和指令复制到速度更快的存储器中，以减少访问主内存的时间。高速缓存命中率高速缓存命中率是指访问高速缓存时找到所需数据的概率，它决定了高速缓存的效率。高速缓存替换策略当高速缓存已满时，需要采用一种策略来决定哪个数据块被替换，常用的策略包括FIFO、LRU等。高速缓存性能分析命中率缓存中找到所需数据的概率，越高越好平均访问时间访问内存数据的平均时间，越低越好缓存大小缓存的大小影响命中率，越大越好，但受限于成本和资源替换策略决定如何替换缓存中的数据，影响命中率存储器管理芯片内存控制器内存控制器是存储器管理芯片的核心，它负责管理内存的访问，包括地址转换、数据传输和内存分配等。内存控制器通过总线与CPU和内存之间进行通信，协调内存访问，保证数据的正确性和效率。缓存控制器缓存控制器负责管理高速缓存，它根据地址映射机制，将频繁访问的数据从主存加载到缓存中。缓存控制器通过优化数据访问路径，提升数据访问速度，加速程序执行。内存管理硬件支持内存管理单元(MMU)MMU负责将逻辑地址转换为物理地址，并执行地址保护功能。内存控制器内存控制器协调CPU、内存和总线之间的通信，并管理内存访问权限。页表页表存储了虚拟地址到物理地址的映射关系，用于快速查找数据地址。内存管理系统调用分配内存例如，`malloc()`和`calloc()`系统调用允许程序请求分配新的内存块，并根据需要进行动态分配。操作系统会追踪可用内存块，并返回满足要求的块地址。释放内存`free()`系统调用允许程序释放之前分配的内存块，使其可供其他进程使用。释放内存块后，操作系统会将其标记为可用，以便其他进程可以重新使用。内存映射允许进程将文件或设备映射到内存地址空间，并通过内存访问的方式操作文件或设备。例如，使用`mmap()`系统调用