第4章 4-2内存空间管理--连续

2、连续分配方式

(1)单一连续分配

内存分为系统区和用户区两部分:

    系统区:仅提供给OS使用,通常放在内存低址部分

    用户区:除系统区以外的全部内存空间,提供给用户使用。

最简单的一种存储管理方式,只能用于单用户、单任务的操作系统中。

    优点:易于管理。

    缺点:对要求内存空间少的程序,造成内存浪费;程序全部装入,很少使用的程序部分也占用内存。

(2)固定分区分配

    把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition),每个应用进程占用一个分区。操作系统占用其中一个分区。

    提高:支持多个程序并发执行,适用于多道程序系统和分时系统。最早的多道程序存储管理方式。

    划分为几个分区,便只允许几道作业并发

1)如何划分分区大小:

    分区大小相等:只适合于多个相同程序的并发执行(处理多个类型相同的对象)。缺乏灵活性。

    分区大小不等:多个小分区、适量的中等分区、少量的大分区。根据程序的大小,分配当前空闲的、适当大小的分区。

2)需要的数据结构

    建立一记录相关信息的分区表(或分区链表),表项有:| 起始位置 | 大小 | 状态 |

    分区表中,表项值随着内存的分配和释放而动态改变

3)程序分配内存的过程:

    也可将分区表分为两个表格:空闲分区表/占用分区表。从而减小每个表格长度。

    检索算法:空闲分区表可能按不同分配算法采用不同方式对表项排序(将分区按大小排队或按分区地址高低排序)。

    过程:检索空闲分区表;找出一个满足要求且尚未分配的分区,分配给请求程序;若未找到大小足够的分区,则拒绝为该用户程序分配内存。

    固定分配的不足:

        内碎片(一个分区内的剩余空间)造成浪费

        分区总数固定,限制并发执行的程序数目。

(3)动态分区分配

    分区的大小不固定:在装入程序时根据进程实际需要,动态分配内存空间,即——需要多少划分多少。

    空闲分区表项:从1项到n项:

        内存会从初始的一个大分区不断被划分、回收从而形成内存中的多个分区。

优点:并发进程数没有固定数的限制,不产生内碎片。

缺点:有外碎片(分区间无法利用的空间)

1)数据结构

    ①空闲分区表:

        记录每个空闲分区的情况。

        每个空闲分区对应一个表目,包括分区序号、分区始址及分区的大小等数据项。

    ②空闲分区链:

        每个分区的起始部分,设置用于控制分区分配的信息,及用于链接各分区的前向指针;

        分区尾部则设置一后向指针,在分区末尾重复设置状态位和分区大小表目方便检索。

2)分区分配算法

动态分区方式,分区多、大小差异各不相同,此时把一个新作业装入内存,更需选择一个合适的分配算法,从空闲分区表/链中选出一合适分区

①首次适应算法FF(first-fit)

    空闲分区排序:以地址递增的次序链接。

    检索:分配内存时,从链首开始顺序查找直至找到一个大小能满足要求的空闲分区;

    分配:从该分区中划出一块作业要求大小的内存空间分配给请求者,余下的空闲分区大小改变仍留在空闲链中。

    若从头到尾检索不到满足要求的分区则分配失败

优点:优先利用内存低址部分,保留了高地址部分的大空闲区;

缺点:但低址部分不断划分,会产生较多小碎片;而且每次查找从低址部分开始,会逐渐增加查找开销。

②循环首次适应算法 (next-fit)

    空闲分区排序:按地址

    检索:从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找,直到找到一个能满足要求的空闲分区。为实现算法,需要:

        设置一个起始查寻指针

        采用循环查找方式

    分配:分出需要的大小

优点:空闲分区分布均匀,减少查找开销

缺点:缺乏大的空闲分区

③最佳适应算法 (best-fit)

总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业,避免“大材小用”。

    空闲分区排序:所有空闲分区按容量从小到大排序成空闲分区表或链。

    检索:从表或链的头开始,找到的第一个满足的就分配

    分配:分出需要的大小

  缺点:每次找到最合适大小的分区割下的空闲区也总是最小,会产生许多难以利用的小空闲区(外碎片)

④最差适应算法/最坏匹配法(worst-fit):基本不留下小空闲分区,但会出现缺乏较大的空闲分区的情况。

⑤快速适应算法

    根据进程常用空间大小进行划分,相同大小的串成一个链,需管理多个各种不同大小的分区的链表。进程需要时,从最接近大小需求的链中摘一个分区。类似的:伙伴算法

    能快速找到合适分区,但链表信息会很多;实际上是空间换时间。

3)分区分配操作

分配内存

    找到满足需要的合适分区,划出进程需要的空间

        if s<=size,将整个分区分配给请求者

        if s> size,按请求的大小划出一块内存空间分配出去,余下部分留在空闲链中,将分配区首址返回给调用者。

回收内存

    进程运行完毕释放内存时,系统根据回收区首址a,在空闲分区链(表)中找到相应插入点,根据情况修改空闲分区信息,可能会进行空闲分区的合并:

        (1)回收区(首址a)与一个分区f1末尾(首址b+大小)邻接:将回收区与f1合并,修改f1的表项的分区大小

        (2)回收区(首址a+大小)与一个分区f2的首址b邻接:将回收区与f2合并,修改f2的表项的首址、分区大小

        (3) (1)(2)两种情况都有,则将回收区与前后两个分区F1、F2邻接:将三个分区合并,使用F1的表项和F1的首址,取消F2的表项,大小为三者之和

        (4) 回收区没有邻接的分区:为回收区单独建立新表项,填写回收区的首址与大小,根据其首址插到空闲链中的适当位置

    动态连续分配方式无法解决“外碎片”问题

    当前内存分配有3个小碎片,分别为30K,64K,40K。若有一个120K的作业申请一块连续空间,无法满足。

    解决思路:移动分区位置,将小碎片整合为一个足够大小可被使用的分区。即紧凑思想

(4)动态重定位分区分配�——有紧凑功能的动态分区分配

用户程序在内存中移动,将空闲空间紧凑起来提高空间利用率。但必然需要地址变化,增加“重定位”工作。

地址变换过程是在程序执行过程期间(相对地址与重定位寄存器中的地址相加),随着对每条指令的访问自动进行,称为动态重定位。

动态重定位分区分配算法与动态分区分配算法基本相同,差别在于增加了紧凑的功能。

伙伴系统

    分区大小有规定,且分区动态变化

        无论已分配还是空闲分区,大小都为2的k此幂。若整个可分配空间大小为2m,则1≤k≤m.

        随着系统运行,内存被不断划分,形成若干不连续的空闲分区。对每一类具有相同大小的空闲分区设置一双向链表,即会有k个链表,链表中的分区大小都是2m。

        进程申请n个大小的空间时,计算n= 2i。则找i对应的链表。若i大小的链表没有,则找i+1的链表。找到的分区对半划分后,一半用于分配,一半链接到较小一级的链表里去。

        一次分配和回收都可能对应多次的划分和合并。

(5)内存空间管理之对换

当内存空间还是满足不了需求时,引入“对换”思想:

    把内存中暂时不能运行、或暂时不用的程序和数据调到外存上,以腾出足够的内存;把已具备运行条件的进程和进程所需要的程序和数据,调入内存。

    按对换单位分类:

        整体对换(或进程对换):以整个进程为单位(连续分配)

        页面对换或分段对换:以页或段为单位(离散分配)

实现进程对换,系统必须具备的功能:

    对换空间的管理

    进程的换出、换入操作

对换空间的管理

在系统中设置相应的数据结构以记录对换区的使用情况

对换空间的分配与回收是连续方式,与动态分区方式时的内存分配与回收雷同。

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