【操作系统笔记】OS_内存管理_非连续内存分配(04)

这一篇整理了操作系统的内存管理_非连续内存分配相关的内容。

1.非连续内存的分配方式

• 分段(Segmentation)
• 分页(Paging)
• 分表(Page Table)

2.使用非连续内存分配的原因

2.1 连续分配的缺点

• 分配给程序的物理内存必须连续
• 内存利用率较低
• 有外碎片，内碎片的问题

2.2 非连续分配的优点

• 一个程序的物理地址空间是非连续的
• 更好的内存利用和管理
• 允许共享代码与数据(共享库等…)
• 支持动态加载和动态链接

2.3 非连续分配的缺点

• 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换：软件方案和硬件方案

2.4 两种硬件方案

• 分段
• 分页

3.分段

为了更好的分离和共享

• 程序的分段地址空间
• 分段寻址方案

段访问机制

一个段表示一个内存“快”：一个逻辑地址空间
段访问:逻辑地址由二元组(s,addr)表示

• s – 段号
• addr – 段内偏移

图片备用地址

图片备用地址

4.分页

页帧(帧,物理页面,Frame, Page Frame)

把物理地址空间划分为大小相同的基本分配单位
大小是2的n次方, 如512,4096, 8192

页面(页,逻辑页面,Page)

把逻辑地址空间也划分为相同大小的基本分配单位
大小是2的n次方, 如512,4096, 8192
帧和页的大小必须是相同的

页面到叶帧

逻辑地址到物理地址的转换

• 页表
• MMU/TLB

4.1 帧(Frame)

• 物理内存被划分成大小相同的帧内存物理地址的表示:二元组(f,o)
• f – 帧号(F位，共有2^f个帧)
• o – 帧内偏移（S位,每帧有2^s字节）

物理地址 = f * 2^s + o

图片备用地址

基于页帧的物理地址计算实例

16-bit的地址空间  
9-bit(512byte)大小的页帧  

物理地址计算  
物理地址表示 = (3， 6)  

物理地址 = 2^s*f + o
F = 7   S = 9    f = 3  o = 6

实际物理地址 = 2^9 * 3 = 6 = 1536 + 6 = 1542

图片备用地址

4.2 页

一个程序的逻辑地址空间被划分为大小相等的页

页内偏移大小 = 帧内偏移大小
页号大小 != 帧号大小
一个逻辑地址是一个二元组(P, O)

P – 页号(P位， 2^p个页) O – 页内偏移(S位,每页有2^S字节)

虚拟地址 = P * 2^s + O

图片备用地址

页的寻址机制

图片备用地址

• 页映射到帧
• 页是连续的虚拟内存
• 帧是非连续的物理内存
• 不是所有的页都有对应的帧

5.页表

5.1 页表概述

图片备用地址

图片备用地址

分页机制的性能问题

1. 访问一个内存单元需要2次内存访问

• 一次用于获取页表项
• 一次用于访问数据

2. 页表可能非常大
3. 如何处理？

• 缓存(Caching)
• 间接(Indirection)访问

5.2 转换后备缓冲区(TLB)

图片备用地址

5.3 二级/多级 页表

图片备用地址

图片备用地址

5.4 反向页表

5.4.1 大地址空间问题

对于大地址空间 （64-bits）系统，多级页表变得繁琐

• 比如：5级页表

不是让页表与逻辑地址空间的大小相对应，而是让页表与物理地址空间的大小相对应

• 逻辑(虚拟)地址空间增长速度快于物理地址空间

图片备用地址

5.4.2 页寄存器

图片备用地址

优点

• 转换表的大小相对于物理内存来说很小
• 转换表的大小跟逻辑地址空间大小无关

缺点

• 需要的信息对调了，即根据帧号可找到页号
• 如何转换回来？即根据页号找到帧号
• 在需要再反向页表中搜索想要的页号

5.4.3 基于关联内存方案

图片备用地址

在反向页表中搜索一个页对应的帧号

1. 如果帧数较少，页寄存器可以被防止在关联内存中
2. 在关联内存中查找逻辑页号
   成功：帧号被读取， 失败：页错误异常(page fault)
3. 限制因素
   大量的关联内存非常昂贵(难以在单个时钟周次内完成，耗电)

5.4.4 基于哈希查找方案

图片备用地址

• 进程标识与页号的Hash值可能有冲突
• 页表项中包括保护位、修改位、访问位和存在位等标识

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