操作系统存储器管理详解：分配、回收、地址变换与虚拟存储

"操作系统教学课件：第4章 存储器管理-1.ppt" 在计算机科学中，存储器管理是操作系统的核心功能之一，它确保有效地利用内存资源，为多个进程提供服务。本章主要涵盖了存储器管理的基本概念、各种分配方式以及虚拟存储器的概念。以下是关于这些主题的详细讨论： 1. **存储器管理基本概念**：内存管理的目标是高效地分配和回收内存，执行地址变换以适应不同类型的存储器，并实施内存保护机制以防止进程间的干扰。此外，通过虚拟存储技术，操作系统能够创建比实际物理内存大得多的地址空间，从而扩充可用内存容量。 2. **连续分配方式**：这种分配方式将进程的内存需求连续分配在物理内存中，包括单一连续分配（所有进程在一个连续的内存区域）和固定分区分配（预先划分固定大小的分区）。优点是简单且执行速度快，但可能导致内存碎片。 3. **离散分配方式**：离散分配方式包括分页和分段，它允许进程被分割成更小的部分（页或段），并分散在物理内存的不同位置。这减少了碎片问题，但增加了地址变换的复杂性。 4. **虚拟存储器及请求分配方式**：虚拟存储器通过将主存与辅助存储（如磁盘）结合，创建了一个“虚拟”内存空间，其大小远超物理内存。程序的装入和链接在此过程中起关键作用。 - **存储器层次结构**：计算机系统通常有多个存储层次，从最快的寄存器到最慢的磁盘存储。每个层次的容量、速度和价格都有所不同，形成了金字塔结构，使得数据能在需要时快速访问。 - **程序的装入和链接**：程序在运行前需要经过编译、链接和装入步骤。链接将各个目标模块组合成一个可执行文件，装入则将其放入内存。链接可以是静态的（在编译时完成），装入时动态的（在程序装入内存时完成地址转换），或是运行时动态的（在程序运行时进行链接和重定位）。 - **分页存储管理**：分页系统将进程划分为固定大小的页，然后映射到物理内存的页框。这需要页表来记录页与页框的对应关系，进行地址变换。 - **分段存储管理**：分段系统允许按逻辑单元（如函数或数据结构）分配内存，每个逻辑单元称为一个段。段的长度可变，提供了更好的逻辑组织和共享。 - **请求分页/分段存储管理**：当所需的所有页/段不能同时装入内存时，操作系统仅加载必要的部分。如果需要其他页/段，将产生缺页/段异常，系统会执行页面置换算法来决定替换哪个页/段。 - **页面置换算法**：包括LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）、OPT（最佳页面替换）等，用于在内存满时选择替换的页面，以最小化未来的缺页率。 5. **内存保护**：通过设置内存保护机制，操作系统防止一个进程非法访问其他进程或操作系统自身的内存区域，确保系统稳定性和安全性。 存储器管理是操作系统的关键组成部分，它涉及内存分配策略、地址变换、虚拟存储技术和内存保护等多个方面，确保了多个并发运行的进程能够高效、安全地使用内存资源。