存储器管理详解：从层次结构到虚拟存储

"本章主要介绍了存储器管理的相关知识，包括存储器的层次结构、程序的装入和链接、以及各种存储管理方式。" 在计算机系统中，存储器管理是操作系统的核心功能之一，它确保程序的有效运行和内存资源的高效利用。本章重点讲述了以下几个方面： 1. 存储器的层次结构：存储器被设计成多级结构，包括CPU寄存器、主存储器（内存）、高速缓存（如L1、L2、L3缓存）以及辅助存储器（如硬盘）。这种层次结构旨在平衡访问速度、价格和存储容量。寄存器和高速缓存用于快速访问，而主存和辅存则提供更大的存储空间。操作系统负责在这些不同层级间进行数据调度。 2. 程序的装入和链接：在程序执行前，需要经过编译、链接和装入三个步骤。编译将源代码转化为目标模块，链接将多个目标模块与所需库函数合并为一个可执行文件。装入则将这个文件加载到内存中，有绝对装入、可重定位装入和运行时装入三种方式。其中，绝对装入方式是在编译时确定程序在内存的位置；可重定位装入允许程序在内存中动态调整位置；运行时装入方式在程序运行时才决定其内存位置，适应多任务环境。 3. 连续分配方式：早期的操作系统采用连续分配方式管理内存，即将进程分配到内存中的一段连续区域，包括单一连续分配（适合单个大程序）和固定分区分配（适合多道程序系统，但可能导致内存碎片）。 4. 分页存储管理：为了解决内存碎片问题，引入了分页存储管理。将进程分为固定大小的页，内存也被分割成同样大小的页框。进程的页与内存的页框对应，通过页表进行地址映射。这种方式简化了内存管理，但可能产生外部碎片。 5. 分段存储管理：分段存储管理以逻辑结构为基础，每个段代表程序的一个逻辑单位，如函数或数据结构。段的长度不固定，允许灵活的内存分配。这种方式更有利于代码维护和共享，但可能导致内部碎片。 6. 虚拟存储器：当物理内存不足时，虚拟存储器提供了一种扩展内存的方法。它结合了主存和辅存，使得程序可以超出物理内存的限制运行。通过页面交换机制，将当前不需要的页换出到磁盘，需要时再换入。 7. 请求分页和分段存储管理：在虚拟存储器的基础上，采用了请求分页和请求分段策略。当进程访问不在内存中的页或段时，产生缺页中断，系统将相应的页或段从磁盘调入内存。 8. 页面置换算法：在请求分页系统中，为了决定将哪个页换出，需要使用页面置换算法，如最佳置换算法、LRU（最近最少使用）算法、FIFO（先进先出）算法等。这些算法旨在最小化页面换入换出的次数，提高系统性能。 本章内容涵盖了存储管理的各个方面，从基础的存储层次结构到复杂的虚拟存储技术，为理解现代操作系统如何高效利用和管理内存提供了全面的理论基础。