第12讲 存储器管理之连续分配方式
第十一讲 存储器管理之连续分配方式所谓连续分配方式：是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。又可把连续分配方式分为：单一连续分配，固定分区分配，动态分区分配，动态重定位分区分配，四种方式。1 单一连续分配（单独分区分配）最简单的一种存储管理方式，但只能用于单用户、单任务的 OS 中。概念：单一连续分配就是整个主存区域的用户空间均归一个用户作业使用。存储管理方法：将内存分为系统区（内存低端，分配给 OS 用）和用户区（内存高端，分配给用户用） 。其中用户区是指除了系统区外的内存空间，提供给用户程序使用。采用静态分配方式，即作业一旦进入内存，就要等待它运行结束后才能释放内存。主要特点：管理简单，只需小量的软件和硬件支持，便于用户了解和使用。但因内存中只装入一道作业运行，内存空间浪费大，各类资源的利用率也不高。例子：一个容量为 256KB 的内存，操作系统占用 32KB，剩下 224KB 全部分配给用户作业，如果一个作业仅需 64KB，那么就有 160KB 的存储空间被浪费。2 固定分区分配分区分配方式是满足多道程序设计需要的一种最简单的存储管理方法。2.1 思想：将内存分成若干个分区（大小相等/不相等） ，除 OS 占一区外，其余的每一个分区容纳一个用户程序。这样来实现多道并发。2.2 分区划分方法：分区大小相等，分区大小不等。但事先必须确定，在运行时不能改变。即分区大小及边界在运行时不能改变。2.3 内存分配：首先：要先建立一张分区说明表或使用表，以记录分区号、分区大小、分区的起始地址及状态（已分配或未分配） 。其次：当某个用户程序要装入内存时，由内存分配程序检索分区说明表，从表中找出一个满足要求的尚未分配的分区分配该程序，同时修改说明表中相应分区的状态；若找不到大小足够的分区，则拒绝为该程序分配内存。第三：当程序执行完毕，释放占用的分区，管理程序将修改说明表中相应分区的状态为未分配，实现内存资源的回收。2.4 特点主要特点：管理简单，但因作业的大小并不一定与某个分区大小相等，从而使一部分存储空间被浪费。所以主存的利用率不高3 动态分区分配3.1 基本思想：根据进程的实际需要，动态的为其分配内存空间。因此分区大小是动态可变的，分区的个数也是可变的。3.2 主要特点管理简单，只需小量的软件和硬件支持，便于用户了解和使用。进程的大小与某个分区大小相等，从而主存的利用率有所提高。3.3 分区分配的数据结构为描述空闲分区合已分配的分区，引入如下数据结构。3.3.1 空闲分区表用于记录每个空闲分区的情况。每个空闲分区占一个表目，表目重含有分区序号，分区起始地址，分区大小等数据项。如下图3.3.2 空闲分区链用链头指针将系统中的空闲分区链接起来，构成空闲分区链。每个空闲分区的起始部分存放相应的控制信息(如大小,指向下一空闲分区的指针等).就是在分区头设置一个前向指针，分区尾部设置一个后向指针，这样把所有空闲分区连起来。3.4 分区分配算法把一个新作业装入内存，须按照一定的分配算法，从空闲分区表或空闲分区链中选择一合适分区分配给该作业。有下面三种分配算法：3.4.1 首次适应算法算法过程：算法要求空闲分区（链）按地址递增的次序排列。在进行内存分配时,从空闲分区表/链首开始顺序查找,直到找到第一个满足其大小要求的空闲分区为止。然后再按照作业大小，从该分区中划出一块内存空间分配给请求者，余下的空闲分区仍留在空闲分区表（链）中。算法的特点优先利用内存低地址部分的空闲分区,从而保留了高地址部分的大空闲区。但由于低地址部分不断被划分,致使低地址端留下许多难以利用的很小的空闲分区(碎片或零头),而每次查找又都是从低地址部分开始,这无疑增加了查找可用空闲分区的开销。3.4.2 循环首次适应算法算法过程：由首次适应算法发展而来，每次为进程分配内存空间时，不是从链首开始，而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找，直到找到一个满足要求的空闲分区。该算法要设置一个起始查寻指针。用于标识下一次起始查寻的空闲分区。算法特点使存储空间的利用更加均衡，不致使小的空闲区集中在存储区的一端，但这会导致缺乏大的空闲分区。3.4.3 最佳适应算法算法过程：算法要求空闲分区表/链按容量大小递增的次序排列。在进行内存分配时，从空闲分区表/链的首开始顺序查找，直到找到第一个满足其大小要求的空闲分区为止。按这种方式为作业分配内存，就能把既满足作业要求又与作业大小最接近的空闲分区分配给作业。如果该空闲分区大于作业的大小，则与首次适应算法相同，将剩余空闲分区仍留在空闲分区表/链中。算法特点若存在与作业大小一致的空闲分区,则它必然被选中，若不存在与作业大小一致的空闲分区，则只划分比作业稍大的空闲分区，,从而保留了大的空闲分区,但空闲区一般不可能正好和它申请的内存空间大小一样,因而将其分割成两部分时,往往使剩下的空闲区非常小,从而在存储器中留下许多难以利用的小空闲区（碎片或零头） 。3.5 分区分配操作这里所谓的操作是：分配内存和回收内存。3.5.1 分配内存操作实际上是分区的分割。具体过程如下：设请求的分区大小为 u.size，空闲分区的大小为 m.size,若 m.size-u.sizesize(size 是事先规定的不再切割的剩余分区的大小)，说明多余部分太小，可不再切割，将整个分区分配给请求者；否则,即多余部分超过 size，从该分区中按请求的大小划分出一块内存空间分配出去，余下的部分仍留在空闲分区表/链中，然后，将分配区的首址返回给调用者。分配流程图：3.5.2 回收内存操作基本过程：当作业执行结束时，应回收已使用完毕的分区。系统根据回收分区的大小及首地址，在空闲分区表中检查是否有邻接的空闲分区，如有，则合成为一个大的空闲分区，然后修改有关的分区状态信息。回收分区与已有空闲分区的相邻情况有以下四种：1）回收分区上邻接一个空闲分区,合并后首地址为空闲分区的首地址,大小为二者之和。2）回收分区下邻接一个空闲分区,合并后首地址为回收分区的首地址,大小为二者之和。3）回收分区上下邻接空闲分区,合并后首地址为上空闲分区的首地址,大小为三者之和。4）回收分区不邻接空闲分区，这时在空闲分区表中新建一表项，并填写分区大小等信息，并根据其首地址插入到空闲链的适当位置。如下图：4 可重定位分区分配4.1 动态重定位的引入在连续分配方式中，我们必须把一个系统或用户程序装入一个连续的内存空间。但是，如果在系统中只有一些小分区并且这些分区不相邻链接，即使它们的相加之后的空间大于要装入的程序，也不可能把程序装入这些内存中。这些小分区就叫做“零头”或“碎片” 。处理思路“紧凑”：将内存中的所有作业移动到内存的另一端，使它们全部相邻。这样，就可以把原来分散的多个小分区拼接成一个大分区，这时就可把作业装入了。称为“紧凑”或“拼接” 。出现问题：紧凑后，明显可以看出内存中的数据和程度的存放位置发生了变化，如果不对程序和数据的地址加以更改，则程序不能运行，因此我们需要重定位。也就是说在每次紧凑之后需要重定位。4.2 动态重定位的实现引入重定位寄存器，程序在执行时，真正访问的内存地址是相对地址和重定位寄存器中的地址相加后的地址。见课本图 p111动态重定位：地址变换过程是在程序执行期间，随着对每条指令或数据的访问时才进行的。因此称为动态重定位。4.3 动态重定位分区分配算法和动态分区分配算法基本相同，只是增加了紧凑功能。算法流程如下：5 对换 了解多道程序环境下，会出现某些进程未执行而占据内存空间，而大量的作业在外存而不能进入内存执行。为了充分的利用内存空间，我们引入了覆盖和对换。覆盖是早期的操作系统中运用，有兴趣的同学了解一下对换：将暂时不用的某个进程及数据（首先是处于阻塞状态优先级最低的，根据系统的采用算法决定）部分（或全部）从内存移到到外存（备份区或对换区，采用连续分配的动态存储管理方式）中去，让出内存空间，同时将某个需要的进程调入到内存中，让其运行。交换到外存的进程需要时可以被再次交换回（选择换出时间最久的，也是根据系统采用的算法决定）内存中继续执行。这种内存扩充技术就是交换技术。6 覆盖6.1 引入：覆盖实现了在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。6.2 原理：一个程序的几个代码段或数据段，按照时间先后来占用公共的内存空间。 将程序的必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存； 可选部分（不常用功能）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中（覆盖文件） ，在需要用到时才装入到内存； 不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖。(即不同时用的模块可共用一个分区)覆盖示例如下：
