作業系統筆記---記憶體管理

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// Pre. 地址綁定

1. 是邏輯地址向物理地址映射的過程

2. 根據映射發生的時間分類：

• 編譯時間：編譯後，邏輯地址已經映射到物理地址。
• 載入時：編譯時間候產生可重定位代碼。將程式載入到記憶體時，邏輯地址映射到物理地址，一旦載入記憶體的某個地址，就從此固定不動。如果發生了swap（交換）也要換回原來的地址上。
• 運行時：進程運行時候可以改變映射的實體記憶體地區。如：進程a、b在記憶體，基址為1000h和2000h，進程c在虛擬記憶體。現swap進程a和c，那麼c進入記憶體，基址為1000h。一段時間後，swap進程a、c，a就重新進入了記憶體，基址為2000h，此時其物理地址相對於上一次已經不同，地址的映射發生在運行時。現在的電腦系統多採用這種方式。

作業系統如何管理記憶體？核心思想就是用好記憶體，那麼怎麼用好記憶體？

------一。記憶體使用量：

1. 要讓exe檔案執行，首先需要建立pcb。記憶體找一段閒置地區，將程式放入到這段地區，將首地址存入pcb

2. pcb把基地址寫入基底位址暫存器

3. 執行的時候，取基底位址暫存器的值，進行地址的重定位，擷取物理地址（運行時重定位）

4. 進程環境切換時，新進程把新的基址（位於pcb）寫入基底位址暫存器，進行更新

5. 動態載入與動態連結

• 動態載入：將載入延遲到運行時，主體是作業系統。例如子程式只有在被調用的時候才載入到記憶體；
• 動態連結：將連結延遲到運行時，主體是程式員。例如stub(存根),用來定位適當的記憶體駐留庫程式,或如果該程式不在記憶體時應如何裝入庫。Stub首先檢查所需子程式是否在記憶體中,如果不在,就將子程式裝入記憶體。Stub會用子程式地址來替換自己,並開始子程式。

那麼，是將整個程式都"放入這段地區"嗎？

------二。分段：

1. No，是將進程的各段分別放入記憶體。

2. 因此，pcb裡面存的實際上是進程段表(LDT表)，指示每個段的段首地址。

那麼，如何在記憶體劃分空閑地區呢？

------三。分區問題:

1. 固定分區：將記憶體分成多個固定大小的地區，每個分區只能容納一個進程。

2. 可變分區：作業系統記錄空閑分區表和資料分割資料表，記錄哪些記憶體可用（稱之為“孔”）以及哪些記憶體已被佔用，要多少給多少，每次分配記憶體或者釋放記憶體都會對錶更新。

3. 從一組可用孔選擇一個空閑孔的方法（可變分區方式下動態分配儲存問題）：

• 首次適配：分配第一個足夠大的孔
• 最佳適配：分配最小的足夠大的孔
• 最差適應：分配最大的孔

4. 片段問題

• 外部片段：可用記憶體之和能滿足記憶體請求，但是這些記憶體不連續導致不可用，這些空閑塊就是外部片段。
• 內部片段：作業系統為了節省維護一個（或者一些）很小的孔帶來的開銷，索性將這個（或這些）孔一併分配給某個進程，但是實際上這些小孔並沒有被利用起來。這個（些）孔的就是內部片段。

那麼，如何解決片段問題？

• 緊縮：移動記憶體內容，修改基底位址暫存器，使空閑空間合并。只適用於動態重定位，開銷大。
• 分頁：允許進程的物理空間為非連續的。

------四。分頁

1. 把實體記憶體劃分為多個塊，叫做幀；把邏輯記憶體劃分為多個塊，叫做頁。進程的每一個段不是直接放到記憶體的，而是打散成多個頁存入記憶體。為了將來能夠重定位，在程式執行的時候找到物理地址，就引入了頁表的概念，通過頁表查詢進程的第幾頁儲存在記憶體的第幾幀。

2. 頁表的硬體實現方式：

• 頁表較小時，存到一組專用寄存器。
• 頁表大時，存入記憶體，這時需要有寄存器用來儲存頁表的基地址。採用這種方案，會導致兩次訪問記憶體。解決兩次訪存的辦法是採用一個硬體緩衝------轉換表緩衝區（TLB）。TLB是一個鍵值對（page<-->frame），儲存頁表的一小部分條目，TLB命中則直接存取對應幀，無效則需要訪問記憶體中的頁表，並將此條目儲存到TLB。圖示TLB機制

3. 分頁環境下的記憶體保護：記憶體保護是通過每個幀相關聯的保護位來實現的，這些位通常儲存在頁表中，如讀寫位、有效無效位。

4. 共用頁，。共用代碼的進程共用某些段，這些段在記憶體的物理幀相同。減少了記憶體的消耗。

5. 為了提高記憶體使用量率，每一頁應該盡量小，這樣會導致頁表太大。由此，給出多級頁表和雜湊頁表的機制。

6. 多級頁表：

• 二級分頁演算法，將頁表再分頁，類比：某章 -> 該章某節 -> 該節某頁。以為例，p1代表第一層頁表中的位移量，p2代表第二層頁表中的位移量，d代表記憶體的第幾幀。優勢：可以實現頁表的不連續儲存，可以節約記憶體空間。

多級頁表提高了空間效率，但是在時間上，由於多次訪存，造成了耽擱。可用TLB（快表）進行改進。TLB根據局部性原理，儲存的是經常訪問的條目。TLB命中則不需多次訪存，TLB未命中則把對應條目加入或替換進TLB。

7. 雜湊頁表

• 處理超過32位地址空間的常用辦法
• 雜湊頁表的條目包括一個鏈表的元素，每個元素有3個域：1）虛擬頁碼 2）物理幀號 3）指向鏈表中下一個元素的指標。其中虛擬頁碼作為雜湊值。（所謂虛擬頁碼，應該就是頁碼、頁號）
• 演算法主要是憑頁碼得到雜湊值，在雜湊表中獲得對應條目，找到物理幀號。示。
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