内存管理：从地址变换到虚拟存储

"地址变换是操作系统内存管理中的关键机制，它涉及到程序如何在内存中找到其对应的物理地址。本文主要探讨了存储器的层次结构、内存管理的目的和功能，以及程序的连接与装入过程，特别是地址变换在其中的作用。" 在计算机系统中，存储器的层次结构是一个重要的设计原则，旨在平衡容量、速度和成本之间的矛盾。从寄存器到内存，再到高速缓存和磁盘，每一层存储设备的容量增加，速度减慢，但价格下降。寄存器是最快的，但容量最小，而磁盘虽然容量最大，但速度最慢。高速缓存（Cache）作为内存和物理内存之间的缓冲，提高了数据访问速度。 内存管理的主要目标包括有效利用内存空间，确保管理的效率，并允许程序无需关心内存的具体大小。为此，内存管理需要记录内存使用情况，进行内存的分配和回收，以及在内存不足时采取适当的措施，如交换或分页。此外，它还需要实现内存空间的共享和保护，防止数据被非法访问。 程序的连接与装入是内存管理的重要环节。连接器将多个目标文件和库文件合并成一个可执行文件，解决外部符号引用，并可能进行地址重定位。连接可以在编译时（静态连接）、加载时（装入时连接）或运行时（动态连接）完成。装入方式包括完全静态装入、静态重定位装入和动态重定位装入，它们分别处理程序的地址定位问题。 地址变换是连接和装入过程中的核心操作。在两级页表的机制下，逻辑地址分为一级页号(p1)、二级页号(p2)和页内地址(d)。一级页表和二级页表分别存储一级页号对应的物理地址(p1')和二级页号对应的物理地址(p2')。通过页表寄存器指示一级页表的起始地址，结合一级页号p1和二级页号p2，可以查找到对应的物理地址，最后加上页内地址d，形成完整的物理地址。这种地址变换机制使得系统能够有效地管理和映射虚拟地址到实际的物理内存地址，从而支持多任务并行执行和动态内存分配。 地址变换是操作系统内存管理中的核心技术，它涉及到了程序如何在层次化的存储系统中定位和访问内存，以及如何在有限的物理内存资源中实现多任务的并发执行。通过理解这些概念，我们可以更好地了解操作系统如何优化内存使用，提高系统的整体性能。