内存的存储管理--段式和页式管理的区别

存储管理的基本原理

内存管理方法

内存管理主要包括内存分配和回收、地址变换、内存扩大 、内存共享和保护等功能。
下面主要介绍连续分配存储管理、掩盖 与交流 技术以及页式与段式存储管理等基本概念和原理。
1． 连续分配存储管理方式

连续分配是指为一个用户程序分配连续的内存空间。连续分配有单一连续存储管理和分区式储管理两种方式。
(1)单一连续存储管理

在这种管理方式中，内存被分为两个区域：系统区和用户区。应用程序装入到用户区，可使用用户区全部空间。其特性 是，最简单，适用于单用户、单任务的操作系统。CP／M和DOS 2．0以下就是采用此种方式。这种方式的最大优点就是易于管理。但也存在着一些问题和不足之处，例如对要求内存空间少的程序，形成 内存糜费 ；程序全部装入，使得很少使用的程序部分也占用—定数量的内存。
(2)分区式存储管理

为了支持多道程序系统和分时系统，支持多个程序并发执行，引入了分区式存储管理。分区式存储管理是把内存分为一些大小相等或不等的分区，操作系统占用其中一个分区，其它 的分区由应用程序使用，每个应用程序占用一个或几个分区。分区式存储管理虽然可以支持并发，但难以进行内存分区的共享。
分区式存储管理引人了两个新的问题：内碎片和外碎片。前者是占用分区内未被应用 的空间，后者是占用分区之间难以应用 的空闲分区(通常是小空闲分区)。为实现分区式存储管理，操作系统应维护的数据构造 为分区表或分区链表。表中各表项一般包括每个分区的起始地址、大小及状态(是否已分配)。
分区式存储管理常采用的一项技术就是内存紧缩(compaction)：将各个占用分区向内存一端移动，然后将各个空闲分区合并成为一个空闲分区。这种技术在提供了某种水平 上的灵活性的同时，也存在着一些弊端，例如：对占用分区进行内存数据搬移占用CPU~t寸间；假如 对占用分区中的程序进行“浮动”，则其重定位需要. 硬件支持。
1)固定分区(nxedpartitioning)。
固定式分区的特性 是把内存划分为若干个固定大小的连续分区。分区大小可以相等：这种作法只合适 于多个相同程序的并发执行(处理多个类型相同的对象)。分区大小也可以不等：有多个小分区、适量的中等分区以及少量的大分区。依据 程序的大小，分配当前空闲的、恰当 大小的分区。这种技术的优点在于，易于实现，开支 小。缺陷 主要有两个：内碎片形成 糜费 ；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。
2)动态分区(dynamic partitioning)。
动态分区的特性 是动态创建分区：在装入程序时按其初始要求分配，或在其执行过程中通过系统调用进行分配或改动 分区大小。与固定分区相比较其优点是：没有内碎片。但它却引入了另一种碎片——外碎片。动态分区的分辨别 配就是寻找某个空闲分区，其大小需大于或等于程序的要求。若是大于要求，则将该分辨别 割成两个分区，其中一个分区为要求的大小并标志 为“占用”，而另一个分区为余下部分并标志 为“空闲”。分辨别 配的先后次序通常是从内存低端到高端。动态分区的分区释放过程中有一个要注意的问题是，将相邻的空闲分区合并成一个大的空闲分区。
下面列出了几种常用的分辨别 配算法：
首先适配法(nrst-fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到契合 要求的第一个分区进行分配。该算法的分配和释放的时间性能较好，较大的空闲分区可以被保留 在内存高端。但随着低端分区不断划分会产生较多小分区，每次分配时查找时间开支 便会增大。
下次适配法(next-fit)：按分区在内存的先后次序，从上次分配的分区起查找(到最后{区时再从头开始}，找到契合 要求的第一个分区进行分配。该算法的分配和释放的时间性能较好，使空闲分辨别 布得更平均 ，但较大空闲分区不易保留 。
最佳适配法(best-fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到其大小与要求相差最小的空闲分区进行分配。从个别来看，外碎片较小；但从整体来看，会构成 较多外碎片优点是较大的空闲分区可以被保留 。
最坏适配法(worst- fit)：按分区在内存的先后次序从头查找，找到最大的空闲分区进行分配。基本不留下小空闲分区，不易构成 外碎片。但由于较大的空闲分区不被保留 ，当对内存需求较大的进程需要. 运行时，其要求不易被满足。
2．掩盖 和交流 技术

引入掩盖 (overlay)技术的目的 是在较小的可用内存中运行较大的程序。这种技术常用于多道程序系统之中，与分区式存储管理配合使用。掩盖 技术的原理很简单，一个程序的几个代码段或数据段，依照 时间先后来占用公共的内存空间。将程序必要部分(常用功能)的代码和数据常驻内存；可选部分(不常用功能)平常 保存 在外存(掩盖 文件)中，在需要. 时才装入内存。不存在调用关系的模块不用 同时装入到内存，从而可以互相 掩盖 。掩盖 技术的缺陷 是编程时必须划分程序模块和确定程序模块之间的掩盖 关系，增加编程复杂度；从外存装入掩盖 文件，以时间延长换取空间节省。掩盖 的实现方式有两种：以函数库方式实现或操作系统支持。
交流 (swapping)技术在多个程序并发执行时，可以将暂时不能执行的程序送到外存中，从而取得 空闲内存空间来装入新程序，或读人保存在外存中而处于就绪状态的程序。交流 单位为整个进程的地址空间。交流 技术常用于多道程序系统或小型分时系统中，与分区式存储管理配合使用又称作“对换”或“滚进／滚出”(roll-in／roll-out)。其优点之一是增加并发运行的程序数目，并给用户提供恰当 的响应时间；与掩盖 技术相比交流 技术另一个显著的优点是不影响程序构造 。交流 技术自身 也存在着不足，例如：对换人和换出的控制增加处理器开支 ；程序整个地址空间都进行对换，没有考虑执行过程中地址访问的统计特性。
3．页式和段式存储管理

在前面的几种存储管理方法中，为进程分配的空间是连续的，使用的地址都是物理地址。假如 允许将一个进程分散到许多不连续的空间，就可以避免内存紧缩，减少碎片。基于这一思想，通过引入进程的逻辑地址，把进程地址空间与实际存储空间别离 ，增加存储管理的灵活性。地址空间和存储空间两个基本概念的定义如下：
地址空间：将源程序经过编译后得到的目的 程序，存在于它所限定的地址范围内，这个范围称为地址空间。地址空间是逻辑地址的汇合 。
存储空间：指主存中一系列存储信息的物理单元的汇合 ，这些单元的编号称为物理地址存储空间是物理地址的汇合 。
依据 分配时所采用的基本单位不同，可将离散分配的管理方式分为以下三种
段式存储管理和段页式存储管理。其中段页式存储管理是前两种分离 的产物。
(1)页式存储管理

1)基本原理。将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(pageframe)。程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不用 连续，从而实现了离散分配。该方法需要. CPU的硬件支持，来实现逻辑地址和物理地址之间的映射。在页式存储管理方式中地址构造 由两部构成，前一部分是页号，后一部分为页内地址，如图[ghost win7纯净版] 4-2所示[win7旗舰版系统下载] 。
这种管理方式的优点是，没有外碎片，每个内碎片不超越 页大比前面所讨论的几种管理方式的最大进步是，一个程序不用 连续保存 。这样就便于改动 程序占用空间的大小(主要指随着程序运行，动态生成的数据增加 ，所要求的地址空间相应增长)。缺陷 是仍旧要求程序全部装入内存，没有足够的内存，程序就不能执行。
2)页式管理的数据构造 。在页式系统中进程建立时，操作系统为进程中一切 的页分配页框。当进程撤销时收回一切 分配给它的页框。在程序的运行期间，假如 允许进程动态地申请空间，操作系统还要为进程申请的空间分配物理页框。操作系统为了完成这些功能，必须记录系统内存中
实际的页框使用状况 。操作系统还要在进程切换时，正确地切换两个不同的进程地址空间到物理内存空间的映射。这就要求操作系统要记录每个进程页表的相关信息。为了完成上述的功能，—个页式系统中，一般要采用如下的数据构造 。
进程页表：完成逻辑页号(本进程的地址空间)到物理页面号(实际内存空间)的映射。
每个进程有一个页表，描绘 该进程占用的物理页面及逻辑排列顺序。
物理页面表：整个系统有一个物理页面表，描绘 物理内存空间的分配使用情况 ，其数据构造 可采用位示图和空闲页链表。
恳求 表：整个系统有一个恳求 表，描绘 系统内各个进程页表的位置和大小，用于地址转换也可以分离 到各进程的PCB(进程控制块)里。
3）页式管理地址变换

在页式系统中，指令所给出的地址分为两部分：逻辑页号和页内地址。CPU中的内存管理单元(MMU)按逻辑页号通过查进程页表得到物理页框号，将物理页框号与页内地址相加构成 物理地址(见图4-3)。上述过程通常由处理器的硬件直接完成，不需要. 软件参与。通常，操作系统只需在进程切换时，把进程页表的首地址装入处理器特定的存放 器中即可。一般来说，页表存储在主存之中。这样处理器每访问一个在内存中的操作数，就要访问两次内存。第一次用来查找页表将操作数的逻辑地址变换为物理地址；第二次完成真正的读写操作。这样做时间上消耗 严重。为缩短查找时间，可以将页表从内存装入CPU内部的关联存储器(例如，快表)中，实现按内容查找。此时的地址变换过程是：在CPU给出有效地址后，由地址变换机构自动将页号送人快表，并将此页号与快表中的一切 页号进行比较，而且这种比较是同时进行的。若其中有与此相匹配的页号，表示要访问的页的页表项在快表中。于是可直接读出该页所对应的物理页号，这样就无需访问内存中的页表。由于关联存储器的访问速度比内存的访问速度快得多。
(2)段式存储管理

1)基本原理。
在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，这样每个进程有一个二维的地址空间。在前面所介绍的动态分辨别 配方式中，系统为整个进程分配一个连续的内存空间。而在段式存储管理系统中，则为每个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以不连续地保存 在内存的不同分区中。程序加载时，操作系统为一切 段分配其所需内存，这些段不用 连续，物理内存的管理采用动态分区的管理方法。在为某个段分配物理内存时，可以采用首先适配法、下次适配法、最佳适配法等方法。在回收某个段所占用的空间时，要注意将收回的空间与其相邻的空间合并。段式存储管理也需要. 硬件支持，实现逻辑地址到物理地址的映射。程序通过分段划分为多个模块，如代码段、数据段、共享段。这样做的优点是：可以分别编写和编译源程序的一个文件，并且可以针对不同类型的段采取不同的保护，也可以按段为单位来进行共享。总的来说，段式存储管理的优点是：没有内碎片，外碎片可以通过内存紧缩来消弭 ；便于实现内存共享。缺陷 与页式存储管理的缺陷 相同，进程必须全部装入内存。
2)段式管理的数据构造 。
为了实现段式管理，操作系统需要. 如下的数据构造 来实现进程的地址空间到物理内存空间的映射，并跟踪物理内存的使用状况 ，以便在装入新的段的时候，合理地分配内存空间。
·进程段表：描绘 组成进程地址空间的各段，可以是指向系统段表中表项的索引。每段有段基址(baseaddress)。
·系统段表：系统一切 占用段。
·空闲段表：内存中一切 空闲段，可以分离 到系统段表中。
3)段式管理的地址变换。

在段式管理系统中，整个进程的地址空间是二维的，即其逻辑地址由段号和段内地址两部分组成。为了完成进程逻辑地址到物理地址的映射，处理器会查找内存中的段表，由段号得到段的首地址，加上段内地址，得到实际的物理地址(见图4—4)。这个过程也是由处理器的硬件直接完成的，操作系统只需在进程切换时，将进程段表的首地址装入处理器的特定存放 器当中。这个存放 器一般被称作段表地址存放 器。
4．页式和段式系统的区别
页式和段式系统有许多类似 之处。比方 ，两者都采用离散分配方式，且都通过地址映射机构来实现地址变换。但概念上两者也有很多区别，主要表现在：
·页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以减少内存的外零头，提高内存的应用 率。或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要. ，而不是用户的需要. 。段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了更好地满足用户的需要. 。
·页的大小固定且由系统决定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的。段的长度不固定，且决定于用户所编写的程序，通常由编译系统在对源程序进行编译时依据 信息的性质来划分。
·页式系统地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需应用 一个标识符，即可表示一个地址。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

　

原理作业10. 页式存储管理和段式存储管理的工作原理特性 、特性 及优劣。 答：页式管理的基本思想是：为了更好天时 用分区存储管理中 所产生的"零头"问题，允许把一个作业保存 在不连续的内存块中， 又可以连续运行，它允许只调入用户作业中常用部分，不常用部分 不长期驻留内存，有效提高了内存的应用 率。 　　页式存储管理的工作原理： 　　A、划分实页：将物理内存划分红 位置固定、大小相同的"块"（实页 面）。 　　B、划分虚页：将用户逻辑地址空间也分红 同样大小的页面，成为虚 拟空间的虚页面。 　　C、建立页表：有时称为页面表或页面映射表（PMT）。每个作业一 张，按虚页号进行注销 ，其基本的内容有特征位（表示该页是否 在内存、实页号以及对应外存的地址。 　　D、地址变换：将虚页面的逻辑地址转化为实页面的物理地址，在程 序执行时改动 为物理地址，属于作业的动态重定位，一般由地址 转换机构（硬件）完成。 　　特性 ： 　　允许一个作业保存 在不连续的内存块中而又能保证作业连续得以运行 ，既不需要. 移动内存中的信息，又可较好地解决零头。 　　优点： 　　a、不要求作业保存 在连续的内存块中，有效地解决零头。 　　b、允许用户作业不是一次集中装入内存而是依据 需要. 调入，作业中 不常用部分不长期驻留内存，而本次运行的不用部分基本 就不装 入内存。 　　c、提供了虚存，使用户作业地址空间不再受内存可用空间大小的限 制。 缺陷 ： a、页式管理在内存的共享和保护方面还欠完善。 b、页面大小相同，位置不能动态增加。 c、常常 需要. 屡次 缺页中断才能把所需的信息完整地调入内存。 段式存储管理的基本思想是：把程序按内容或过程（函数）关系 分红 段，每段有自己. 的名字。一个用户作业或进程所包含的段对应于 一个二维线性虚拟空间，也就是一个二维虚拟存储器。段式管理程序 以段为单位分配内存，然后通过地址映射机构把段式虚拟存储地址转 化为内存中的实际地址。和页式管理一样，段式管理也采用只把那些 经常访问的段驻留内存，而把那些在未来 一段时间内不被访问的段放 在外存，待需要. 时自动调入内存的方法实现二维虚拟存储器。依照 作 业的逻辑单位--段，来分配内存，合适 程序的逻辑构造 ，方.便 用户设 计程序。 段式存储管理的工作原理： A、采用二维地址空间，如段号（S）、页号（P）和页内单元号（D）； B、系统建两张表格每一作业一张段表，每一段建立一张页表，段表 指出该段的页表在内存中的位置； C、地址变换机构类似页式机制，只是前面增加一项段号。 特性 ： a、每一段分红 若干页，再按页式管理，页间不要求连续； b、用分段方法分配管理作业，用分页方法分配管理内存； 优点： 便于段的共享和保护、段的动态增长以及动态连接。 缺陷 ： 为了消弭 零头和允许段的动态增长，需要. 破费 CPU的大量时间在内存 中移动作业的分段，而且段的大小也给外存管理带来艰难 。