操作系统存储管理：层次结构与内存管理

"操作系统 存储管理PPT - 徐战亚教授讲解" 在操作系统中，存储管理扮演着至关重要的角色。它涉及到如何有效地利用内存资源，以支持多任务并发执行，同时确保系统的稳定性和效率。《操作系统设计与实现》第四章主要探讨了存储器管理这一主题，由主讲教师徐战亚教授进行讲解。 内存管理的目标主要有两个方面：一是充分提高内存利用率，以支持多道程序在内存中同时运行，从而提高系统吞吐量；二是为用户提供便利，使得每个应用程序都能获得独立的、连续的虚拟地址空间，即使这些程序实际上可能被分散地存储在物理内存的不同位置。 内存通常分为高速缓存(Cache)、随机访问存储器(RAM)和磁盘存储这三层。Cache用于存放频繁访问的数据，速度快但容量小；RAM则作为主要工作区域，速度较快但价格相对较高，数据易失；磁盘则作为大容量、低成本的长期存储，但访问速度慢。 操作系统中的Memory Manager负责协调这些不同层次的存储器，实现虚拟内存的概念，使得程序可以认为拥有一个比实际物理内存大得多的地址空间。虚拟内存通过页面调度算法，如最佳置换(OPT)、最近最久未使用(LRU)等，将部分程序和数据交换到磁盘的交换区，当需要时再换入内存，这样可以解决内存不足的问题。 存储管理还包括内存分配、内存保护和内存释放等功能。内存分配确保每个程序都能得到所需的内存空间，并且避免相互干扰；内存保护防止一个程序访问其他程序或操作系统区域，保证系统安全；内存释放则是在程序结束或不再需要某块内存时，将其归还给系统，以便重新分配。 此外，操作系统还使用内存分段和内存分页两种机制来组织和管理内存。分段允许每个程序按逻辑结构划分成多个段，每个段有自己的名字和长度，方便管理和共享。分页则是将内存划分为固定大小的页，便于硬件实现内存的管理和地址转换。 在用户看来，内存是一个连续的地址空间，但实际上，操作系统通过地址映射机制将虚拟地址转换为物理地址，实现了这种抽象。用户区的内存分配通常包括堆和栈两部分，堆用于动态分配内存，栈则用于函数调用时保存临时变量和返回地址。 操作系统存储管理是一个复杂而关键的任务，它涉及到多层面的技术，如虚拟内存、页面调度、内存保护、地址映射等，目的是在有限的物理内存资源下，为用户提供高效、安全、便捷的内存使用环境。