第4章存储管理本章学习目标4.1存储管理的功能4.2实存管理4.3虚拟存储器管理4.
4碎片与抖动问题本章学习目标本章首先介绍了存储管理的研究对象和目的，明确了存储管理的基本功能和有关的基本概念；然后从实
存和虚存两个角度，分别介绍了常用的几种存储管理方案；最后对各种存储管理方案存在的问题，主要是碎片和抖动问题进行了总结。本章的主
要内容如下：(1)存储管理的目的和四大基本功能。(2)实存管理中讲述了固定分区存储管理、可变式分区存储管理、纯分页存储管理三
种存储管理方案的实现原理(3)虚存管理以请求式分页存储管理为重点(4)总结各种存储管理方案中存在的碎片和抖动问题及解决方法
4.1存储管理的功能4.1.1内存的分配与回收4.1.2地址重定位4.1.3存储保护4.1.4虚
拟存储器4.1.1内存的分配与回收内存分配按分配时机的不同，可分为两种方式。（1）静态存储分配：指内存分配是在作业运
行之前各目标模块连接后，把整个作业一次性全部装入内存，并在作业的整个运行过程中，不允许作业再申请其他内存，或在内存中移动位置。也就
是说，内存分配是在作业运行前一次性完成的。（2）动态存储分配：作业要求的基本内存空间是在目标模块装入内存时分配的，但在作业运行过
程中，允许作业申请附加的内存空间，或是在内存中移动，即分配工作可以在作业运行前及运行过程中逐步完成。4.1.2地址重定位
1．内存空间（或物理空间）2．逻辑空间3．地址重定位1．内存空间（或物理空间）内存是由若干个存储单元组成的，每个存储单元
有一个编号，这种编号可唯一标识一个存储单元，称为内存地址（或物理地址）。2．逻辑空间源程序经过汇编或编译后，形成目标程序，每
个目标程序都是以0为基址顺序进行编址的，原来用符号名访问的单元用具体的数据——单元号取代。这样生成的目标程序占据一定的地址空间，称
为作业的逻辑地址空间，简称逻辑空间。在逻辑空间中每条指令的地址和指令中要访问的操作数地址统称为逻辑地址。3．地址重定位(1)
静态地址重定位静态地址重定位是在程序执行之前由操作系统的重定位装入程序完成的。(2)动态地址重定位动态地址重定位是在程序
执行期间进行的。4.1.3存储保护（1）上、下界存储保护：上、下界保护是一种简单的存储保护技术。系统可为每个作业设置一
对上、下界寄存器，分别用来存放当前运行作业在内存空间的上、下边界地址，用它们来限制用户程序的活动范围。（2）基址—限长存储保护
：上、下界保护的一个变种是采用基址—限长存储保护。4.1.4虚拟存储器对内存进行逻辑上的扩充，现在普遍采用虚拟存储管理
技术。虚拟存储技术的基本思想是把有限的内存空间与大容量的外存统一管理起来，构成一个远大于实际内存的、虚拟的存储器。此时，外存是
作为内存的直接延伸，用户并不会感觉到内、外存的区别，即把两级存储器当作一级存储器来看待。一个作业运行时，其全部信息装入虚存，实际上
可能只有当前运行的必需一部分信息存入内存，其他则存于外存，当所访问的信息不在内存时，系统自动将其从外存调入内存。4.2实存
管理4.2.1固定分区存储管理4.2.2可变式分区存储管理4.2.3纯分页存储管理4.2.1固定分区
存储管理固定分区存储管理是实现多道程序设计的最简单的一种存储管理技术。其基本思想是，在作业未进入内存之前，就由操作员或操作系统
把内存可用空间划分成若干个固定大小的存储区，除操作系统占用一个区域外，其余区域为系统中多个用户共享，因为在系统运行期间，分区大小、
数目都不变，所以固定式分区也称为静态分区。4.2.2可变式分区存储管理1．空闲分区的组织形式2．内存的分配与回收
3．常用的分配算法4．可变式分区的地址重定位1．空闲分区的组织形式空闲分区链表的组织是这样的：在每个空闲分区的起始部分
开辟出一个单元，存放一个链表指针和该分区的大小，链表指针指向下一个空闲分区。系统中用一个固定单元作为空闲分区链表的链表头指针，指向
第一块空闲分区首地址，最后一块空闲分区的链表指针存放链尾标志。如图4.7（a）所示。2．内存的分配与回收当某一个用户作业完
成释放所占分区时，系统应进行回收。在可变式分区中，应该检查回收区与内存中前后空闲区是否相邻，若相邻，则应进行合并，形成一个较大的空
闲区，并对相应的链表指针进行修改；若不相邻，应将空闲区插入到空闲区链表的适当位置。?3．常用的分配算法（1）首次适应算法
（2）最佳适应算法（3）最差适应算法4．可变式分区的地址重定位可变式分区的地址重定位可采用静态重定位，也可采用动态重
定位。如采用静态重定位，因用户作业进入内存后，程序的逻辑地址实现了重定位，不能在内存中再进行移动，经过一段时间的运行，内存中不能再
分配利用的小碎片会越来越多。有时可能会出现这种情况，即当一个作业申请一定数量的内存时，虽然此时空闲区的总和大于新作业的内存要求，但
却没有单个的空闲区足以装下该作业。采用动态重定位的可变式分区管理技术，在执行内存分配时，如无足够大空闲块，应考虑实现紧凑操作。其
分配算法如图4.12所示。4.2.3纯分页存储管理1．纯分页存储管理中存储块的分配与回收2．纯分页存储管理的地址重
定位问题3．联想存储器4．存储保护1．纯分页存储管理中存储块的分配与回收通常有两种记录空闲存储块的方法：位图法和链表
法。2．纯分页存储管理的地址重定位问题纯分页存储管理中的地址重定位是非常重要的，要使不连续的、分散的用户程序能正常运行，须
采用动态地址重定位。此时，可采用重定位寄存器方式，如分页太多，则重定位寄存器用得太多。通常可在内存中为每个作业开辟一块特定区域，建
立起作业的逻辑页与存储块之间的对应表格关系，这种表常称为页面映象表，简称页表。3．联想存储器从上面介绍的地址变换过程可以看
出：如果把页表全部放在内存，那么存取一个数据时，至少要访问二次内存。一次是访问页表，形成实际内存地址；另一次是根据形成的内存地址存
取数据。显然，这比通常执行指令的速度要慢得多，使计算机的运行速度几乎降低一半。应用联想存储器和页表相结合的方式，可有效地提高系统
动态地址转换的速度，是一种行之有效的方法。4．存储保护四种保护方式：①禁止做任何操作，②只能执行，③只能读，④能读/写，当
要访问某页时，先判断该页的存取控制和存储保护信息是否允许。添加了存取控制信息的页表表目如下图所示：4.3虚拟存储器管理
4.3.1虚拟存储器的概念4.3.2请求式分页存储管理与动态地址重定位4.3.3现代计算机系统改进的动态地址
重定位4.3.4页面置换算法4.3.5请求式分页存储管理性能分析举例4.3.6请求式分段存储管理4.3
.1虚拟存储器的概念（1）程序中往往会有一些彼此互斥的部分。（2）在一个完整的程序中，会有一些诸如出错处理这样的子程序
，在作业正常运行情况下不会执行这些程序，没有必要把它们调入内存。基于程序局部性原理和上述情况，就没有必要把一个作业一次性全部装入
内存再开始运行。而是可以把程序当前执行所涉及的信息放入内存中，其余部分可根据需要临时调入，由操作系统和硬件相配合来完成主存和辅存之
间信息的动态调度。这样的计算机系统好像为用户提供了一个存储容量比实际主存大得多的存储器，就称为虚拟存储器。4.3.2请求式
分页存储管理与动态地址重定位请求式分页存储管理与纯分页存储管理在内存块的分配与回收，存储保护某方面都十分相似，不同之处在于地址
重定位问题。在请求式分页存储管理的地址重定位时，可能会出现所需页面不在主存的情况，此时，系统必须解决以下两个问题：（1）当程序要
访问的某页不在内存时，如何发现这种缺页情况？发现后应如何处理？（2）当需要把外存上的某个页面调入内存时，此时内存中没有空闲块应怎
么办？为了帮助操作系统对要置换出内存的页面进行选择，在页表中还可以增加一个引用位，以反映该页最近的使用情况。一般来说，一个页表
的表目通常可包括如下的数据内容：4.3.3现代计算机系统改进的动态地址重定位（1）如何合理地组织管理相当大的页表？在W
indowsNT中，为解决第一个问题，对页表本身进行了改进，将庞大的页表本身也采取分页措施，采用了两级页表结构。即把页表本身按固
定大小分成一个个小页表，每个小页表由210=1024个页表表目构成，每个表目占4字节，所以每个小页表刚好占一个页面（页面大小为21
2=4kb）。一共有210=1k个小页表。为了对这1k个小页表进行管理和索引查找，设置了一个页表目录，也称之为顶级页表或一级页表，
该页目录包含有1k个表目项，分别指出每个次级小页表所在的物理块号和其他有关状态信息。这样，每个作业有一个页目录（一级页表），它的每
个表目指向一个二级页表。页目录本身也刚好是一个页面大小（210=1k，每个表目4个字节）。（2）面对大的页表，地址的映射怎样才能
比较快地实现？（1）使用快表：即利用前面我们已介绍的高速缓冲存储器来存放经常使用的页表表目，以提高页表的查询速度。（2）使用
高速缓冲存储器：在微处理器和主存之间设置32kb或64kb的高速缓冲存储器，大部分的指令和数据取自高速缓存（命中率为98%），所以
存取数据和指令速度相当高，达到与处理器速度完全相匹配。4.3.4页面置换算法1．最优算法（OPT算法）2．先进先出算法
（FIFO算法）3．最久未使用页面置换算法（LRU算法）4．LRU近似算法1．最优算法（OPT算法）最理想的页面置换算法
是：从内存中移出以后不再使用的页面；如无这样的页面，则选择以后最长时间内不需要访问的页。这就是最优算法的思想。这种算法本身不是一
种实际的方法，因为页面访问的顺序是很难预知的。但是，可把它作为一种评价标准，比较其他实用方法的优劣，所以，最优算法只具有理论上的意
义。2．先进先出算法（FIFO算法）这种算法的基本思想是：总是先淘汰那些驻留在内存时间最长的页面，即先进入内存的页面先被置换掉
。理由是：最先进入内存的页面不再被访问的可能性最大。3．最久未使用页面置换算法（LRU算法）这种算法的基本思想是，如果某一页
被访问了，那么它很可能马上又被访问；反之，如果某一页很长时间没有被访问，那么最近也不太可能会被访问。这种算法考虑了程序设计的局部性
原理。其实质是，当需要置换一页时，选择在最近一段时间最久未使用的页面予以淘汰。实现这种算法可通过周期性地对“引用位”进行检查，并
利用它来记录一页面自上次被访问以来所经历的时间t，淘汰时选择t最大的页面。4．LRU近似算法这种算法，只要在存储分块表（或页
表）中设一个“引用位”，当存储分块表中的某一页被访问时，该位由硬件自动置1，并由页面管理软件周期性把所有引用位置0。这样，在一个时
间周期T内，某些被访问过的页面其引用位为1，而未被访问过的页面其引用位为0。因此，可根据引用位的状态来判别各页面最近的使用情况。当
需要置换一页面时，选择其引用位为0的页，如图4.21所示的算法。图4.22是这种近似算法的一个例子。4.3.5请求式分页
存储管理性能分析举例1．程序设计的质量2．页面的大小3．分配的内存块数4．页面置换算法性能【例1】主存块数m=3，置
换算法采用FIFO算法，缺页中断次数及缺页率如图4.23所示。在图4.23中，P行表示页面走向，M行表示在主存中的页面号，其中带
有+的表示新调入页面，在M行的各列按调入的顺序排列，带有圆圈的数字表示下一时刻将被淘汰页面，F行表示是否引起缺页中断，带√号的表示
引起缺页中断。从图4.23可以看出，缺页中断页数为9次，缺页率f=9/12=75%。【例2】设m=4，仍采用FIFO算法，缺页
中断次数及缺页率如图4.24所示。可以算出，在分配给该作业的内存块数增加到4时，缺页中断由图4.23的9次反而增加到了10次，缺页
率由75%增加到10/12=83%，这就是FIFO算法的一种异常现象。随着分配的主存块数的增加，缺页中断次数不但没有降低，反而增加
了。这与该算法定全不考虑程序的动态特征有关。【例3】设m=3，采用LRU算法，缺页中断次数及缺页率如图4.25所示。【例4】
设m=4，其余同例3，则缺页中断次数及缺页率如图4.26所示。4.3.6请求式分段存储管理为了能实现虚拟存储，段式逻辑
地址空间中的程序段在运行时并不全部装入内存，而是如同请求式分页存储管理，首先调入一个或若干个程序段运行，在运行过程中调用到哪段时，
就根据该段长度在内存分配一个连续的分区给它使用。若内存中没有足够大的空闲分区，则考虑进行段的紧凑或将某段或某些段淘汰出去。相应于请
求式分页存储管理，这种存储管理技术称为请求式分段存储管理。请求式分段存储管理的地址变换1．程序的逻辑地址结构2．段表
3．请求式分段动态地址变换过程4．请求式分段存储管理的优、缺点1．程序的逻辑地址结构请求式分段存储管理的逻辑地址结构
由段号s和段内位移量d组成，如下图所示。2．段表类似于请求式分页存储管理的页表，为了实现动态地址变换和存储保护，系统要为每一
个作业建立一张段表。段表中的每一个表目对应着作业地址空间的一个程序段，其一般格式为：3．请求式分段动态地址变换过程请求式分
段存储管理的地址变换（1）可提供大容量的虚存（2）允许动态增加段的长度（3）便于段的动态链接（4）便于实现程序段的
共享（5）便于实现存储保护4.4碎片与抖动问题1、碎片问题解决碎片问题的比较好的方法是采用分页技术，在纯分页存
储管理系统中，因存储区划分成固定大小的块，而用户作业也划分成与块相等的若干页，每个作业调入内存时，除最后一个页面可能有页内碎片出现
外，其余页不存在碎片问题，一般来说，平均每个作业可能有半页的内碎片。2、抖动现象避免抖动现象最根本的方法是控制多道程序的道数
，使得每个用户作业都有足够的内存空间可供使用。但作业的个数又不能太少，否则，会影响处理机的利用率。最好是使处理机利用率较高，又不致
于使系统发生抖动，这是一个很难解决的问题，牵扯到程序的局部性问题，并需借助于工作集模型。THANKYOUVERYMUCH
！本章到此结束，谢谢您的光临！下一页图4.27分段的逻辑地址空间下一页下一页下一页下一页图4.28请求式
分段动态地址下一页返回本节返回本章首页下一页（a）存储块使用情况（b）存储块使用情况的位图表示
图4-13存储块的位图管理法下一页图4.14纯分页存储管理示意图下一页下一页图4.15纯分页存储管理地址重
定位实现过程下一页图4.16采用快表和页表相结合的分页地址变换过程示意图下一页返回本节返回本章首页返回本节下一页
如图4.17所示是请求式分页存储管理的存储映像下一页下一页请求式分页存储管理中的地址重定位和缺页中断处理过程如图4.18
所示。返回本节下一页图4.19WindowsNT两级页表地址变换示意图下一页返回本节下一页下一页下一页图4
.20先进先出算法存储分块表构造下一页下一页下一页图4.21LRU近似算法下一页图4.22LRU近似算
法举例返回本节下一页下一页图4.23FIFO算法性能分析（m=3）下一页下一页图4.24FIFO算法性能分析
（m=4）下一页图4.25LRU算法性能分析（m=3）下一页图4.26LRU算法性能分析（m=4）返回本节第4
章存储管理开始返回本章首页下一页图4.1多级存储器体系示意图返回本章首页返回本节下一页下一页下一页图4.2作业的名空间、逻辑地址空间和装入后的物理空间下一页下一页（b）采用动态重定位时内存空间及地址重定位示意图（a）采用静态重定位后的内存空间图4.3静态地址重定位和动态地址重定位示意图返回本节图4.4界限寄存器的两种存储保护方式返回本节返回本节返回本章首页图4.5固定式分区内存分配示意图（a）和（b）固定式分区说明表返回本节下一页图4.6可变式分区内存使用情况示意图下一页下一页下一页图4.7首次适应算法的空闲分区链表组织形式下一页下一页图4.8最佳适应算法的空闲分区链表组织形式下一页图4.9最差适应算法的空闲分区链表组织形式下一页图4.10内存使用情况下一页图4.11用三种适应算法处理同一作业序列下一页下一页图4.12采用动态重定位的可变式分区分配算法返回本节第4章存储管理 |
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