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1、第四章第四章 存儲(chǔ)器管理存儲(chǔ)器管理 4.1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu) 4.2程序的裝入和鏈接程序的裝入和鏈接 4.3連續(xù)分配方式連續(xù)分配方式4.4基本分頁存儲(chǔ)管理方式基本分頁存儲(chǔ)管理方式4.5基本分段存儲(chǔ)管理方式基本分段存儲(chǔ)管理方式4.6虛擬存儲(chǔ)器的基本概念虛擬存儲(chǔ)器的基本概念4.7請求分頁存儲(chǔ)管理方式請求分頁存儲(chǔ)管理方式4.8頁面置換算法頁面置換算法4.9請求分段存儲(chǔ)管理方式請求分段存儲(chǔ)管理方式 4.1 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)寄存器、高速緩存、主存儲(chǔ)器和磁盤緩存均屬于操作系統(tǒng)寄存器、高速緩存、主存儲(chǔ)器和磁盤緩存均屬于操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理存儲(chǔ)管理的管轄范疇，的管轄范疇，掉電后它們

2、存儲(chǔ)的信息不再存在。掉電后它們存儲(chǔ)的信息不再存在。而輔存的使用與管理放在而輔存的使用與管理放在設(shè)備和文件管理設(shè)備和文件管理中介紹！中介紹！在主存中KBMBGBTB存儲(chǔ)器管理：存儲(chǔ)器管理：指內(nèi)存的管理，外存管理在文件部分講述；指內(nèi)存的管理，外存管理在文件部分講述；單道程序系統(tǒng)：單道程序系統(tǒng)：內(nèi)存被劃分成兩部分：一部分供內(nèi)存被劃分成兩部分：一部分供OSOS使用，使用，一部分供當(dāng)前正在執(zhí)行的程序使用。一部分供當(dāng)前正在執(zhí)行的程序使用。多道程序系統(tǒng)：多道程序系統(tǒng)：存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器的用戶部分用戶部分必須進(jìn)一步地細(xì)分，以必須進(jìn)一步地細(xì)分，以適應(yīng)多個(gè)進(jìn)程的要求。細(xì)分的任務(wù)由操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)適應(yīng)多個(gè)進(jìn)程的要求。細(xì)分

3、的任務(wù)由操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)，這就是存儲(chǔ)器管理?，F(xiàn)，這就是存儲(chǔ)器管理。存儲(chǔ)器管理的目的：存儲(chǔ)器管理的目的：一是方便用戶使用，二是提高存儲(chǔ)器一是方便用戶使用，二是提高存儲(chǔ)器的利用率的利用率。基本概念補(bǔ)充1、存儲(chǔ)器管理功能主主存存的的分分配配和和回回收收：系系統(tǒng)統(tǒng)應(yīng)應(yīng)能能記記住住每每個(gè)個(gè)存存儲(chǔ)儲(chǔ)區(qū)區(qū)的的狀狀態(tài)態(tài)；實(shí)實(shí)施施存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器的的分分配配；回收系統(tǒng)或用戶釋放的存儲(chǔ)區(qū)?；厥障到y(tǒng)或用戶釋放的存儲(chǔ)區(qū)。地地址址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換或或重重定定位位：實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)邏邏輯輯地地址址到到物物理理地地址址的的變變換換，分分為為靜靜態(tài)態(tài)重重定定位位和和動(dòng)動(dòng)態(tài)重定位態(tài)重定位主主存存共共享享與與保保護(hù)護(hù)：使使多多道道程程序序能能動(dòng)動(dòng)態(tài)

4、態(tài)地地共共享享主主存存，最最好好能能共共享享主主存存中中的的信信息息；保保證證進(jìn)進(jìn)入入主主存存的的各各道道作作業(yè)業(yè)都都在在自自己己的的存存儲(chǔ)儲(chǔ)空空間間內(nèi)內(nèi)運(yùn)運(yùn)行行，互互不不干干擾擾。由由硬硬件件和和軟件配合完成。軟件配合完成。主存擴(kuò)充：主存擴(kuò)充：借助于借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，為用戶提供比主存空間大的地址空間。，為用戶提供比主存空間大的地址空間。內(nèi)存的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)編號，這種編號稱為內(nèi)存的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)編號，這種編號稱為內(nèi)存地址內(nèi)存地址（或稱為（或稱為物理物理地址，絕對地址地址，絕對地址）。）。內(nèi)存地址的集合稱為內(nèi)存地址的集合稱為內(nèi)存空間（或物理地址空間）。內(nèi)存空間（或物理地

5、址空間）。例如，我們常說內(nèi)存例如，我們常說內(nèi)存為：為：512MB要求用戶用內(nèi)存地址編程是非常困難的，尤其是在多道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境中要求用戶用內(nèi)存地址編程是非常困難的，尤其是在多道程序設(shè)計(jì)的環(huán)境中（不知道）。（不知道）。2 2、地址映射、地址映射(地址重定位地址重定位)用戶編程所用的地址稱為用戶編程所用的地址稱為邏輯地址（或程序地址，或虛地址）邏輯地址（或程序地址，或虛地址），由邏輯由邏輯地址組成的空間稱為地址組成的空間稱為邏輯地址空間（或程序地址空間）邏輯地址空間（或程序地址空間）。我們把用戶程序裝入內(nèi)存時(shí)，或在程序執(zhí)行時(shí)，對有關(guān)指令或數(shù)據(jù)地址我們把用戶程序裝入內(nèi)存時(shí)，或在程序執(zhí)行時(shí)，對有關(guān)指令

6、或數(shù)據(jù)地址的修改稱為的修改稱為從程序地址到內(nèi)存地址的地址映射，或稱為地址重定位。從程序地址到內(nèi)存地址的地址映射，或稱為地址重定位。地址映射地址映射Load A 1200 3456 。1200物理地址空間物理地址空間Load A data1data1 3456源程序（名空間）源程序（名空間）Load A 200 34560100200編譯編譯連接連接邏輯地址空間邏輯地址空間BR=10001100地址映射的方式靜態(tài)地址映射：靜態(tài)地址映射：1 1）程序被裝入內(nèi)存時(shí)由操作系統(tǒng)的連接裝入程序完成）程序被裝入內(nèi)存時(shí)由操作系統(tǒng)的連接裝入程序完成程序的邏輯地址到內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換；程序的邏輯地址到內(nèi)存地址的轉(zhuǎn)換；

7、2 2）地址轉(zhuǎn)換工作是在程序執(zhí)行）地址轉(zhuǎn)換工作是在程序執(zhí)行前前前前由裝入程序集中一次由裝入程序集中一次完成。完成。n假定程序裝入內(nèi)存的首地址為假定程序裝入內(nèi)存的首地址為BRBR，程序地址為，程序地址為VRVR，內(nèi)存，內(nèi)存地址為地址為MRMR，則地址映射按下式進(jìn)行：，則地址映射按下式進(jìn)行：MR=BR+VRMR=BR+VR把程序裝入起始地址為把程序裝入起始地址為10001000的內(nèi)存區(qū)的內(nèi)存區(qū)Mov r1,500Mov r1,500123412340 0100100500500600600Mov r1,1500Mov r1,15000 0100010001100110015001500160016

8、0012341234作業(yè)的地址空間作業(yè)的地址空間存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)空間裝入程序裝入程序靜態(tài)映射優(yōu)缺點(diǎn)靜態(tài)映射優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需要硬件的支持，簡單易實(shí)現(xiàn)，成本低；優(yōu)點(diǎn)：不需要硬件的支持，簡單易實(shí)現(xiàn)，成本低；缺點(diǎn)：程序必須占用連續(xù)的內(nèi)存空間；一旦程序裝入缺點(diǎn)：程序必須占用連續(xù)的內(nèi)存空間；一旦程序裝入后不能移動(dòng)；后不能移動(dòng)；主存利用率低；難以做到程序和數(shù)據(jù)的主存利用率低；難以做到程序和數(shù)據(jù)的共享。共享。動(dòng)態(tài)地址映射（重定位）動(dòng)態(tài)地址映射（重定位）動(dòng)態(tài)地址重定位：動(dòng)態(tài)地址重定位：在程序執(zhí)行的過程中，每次將要訪問的指令或數(shù)在程序執(zhí)行的過程中，每次將要訪問的指令或數(shù)據(jù)邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地址。據(jù)邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地

9、址。動(dòng)態(tài)映射方法：動(dòng)態(tài)映射方法：裝入程序把程序和數(shù)據(jù)裝入程序把程序和數(shù)據(jù)原樣裝入原樣裝入到已分配的存儲(chǔ)區(qū)到已分配的存儲(chǔ)區(qū)中，然后把這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)的起始地址送入中，然后把這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)的起始地址送入重定位寄存器重定位寄存器中。在程序執(zhí)中。在程序執(zhí)行時(shí)，再將相對地址轉(zhuǎn)換成絕對地址。行時(shí)，再將相對地址轉(zhuǎn)換成絕對地址。硬件支持：硬件支持：在動(dòng)態(tài)地址重定位機(jī)構(gòu)中，有一個(gè)在動(dòng)態(tài)地址重定位機(jī)構(gòu)中，有一個(gè)基地址寄存器基地址寄存器BRBR和一和一個(gè)個(gè)程序地址寄存器程序地址寄存器VRVR，一個(gè)，一個(gè)內(nèi)存地址寄存器內(nèi)存地址寄存器MRMR。轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程：MR=BR+VRMR=BR+VR把程序裝入起始地址為把程序裝入起始

10、地址為10001000的內(nèi)存區(qū)的內(nèi)存區(qū)123412340 0100100500500599599作業(yè)的地址空間作業(yè)的地址空間0 01000100011001100150015001599159912341234存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)空間10001000+重定位寄存器重定位寄存器邏輯地址邏輯地址VRVR物理地址物理地址MRMRMOV r1MOV r1，500500 MOV r1MOV r1，500500 動(dòng)態(tài)地址映射的過程動(dòng)態(tài)地址映射的過程程序裝入內(nèi)存后，它所占用的內(nèi)存區(qū)的程序裝入內(nèi)存后，它所占用的內(nèi)存區(qū)的首地址首地址由系統(tǒng)送入由系統(tǒng)送入基地址寄存器基地址寄存器BRBR中。中。在程序執(zhí)行的過程中，若要訪問

11、內(nèi)存，將訪問的邏輯地址在程序執(zhí)行的過程中，若要訪問內(nèi)存，將訪問的邏輯地址送入送入VRVR中。中。地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)把地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)把VRVR和和BRBR中的內(nèi)容相加，并將結(jié)果送入中的內(nèi)容相加，并將結(jié)果送入MRMR中，中，作為實(shí)際訪問的地址。作為實(shí)際訪問的地址。動(dòng)態(tài)重定位優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)重定位優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1）程序占用的內(nèi)存空間是動(dòng)態(tài)可變的，當(dāng)程序從）程序占用的內(nèi)存空間是動(dòng)態(tài)可變的，當(dāng)程序從某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)移到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，只需要修改相應(yīng)的寄存器某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)移到另一個(gè)區(qū)域時(shí)，只需要修改相應(yīng)的寄存器BRBR的內(nèi)容即可；的內(nèi)容即可；2 2）一個(gè)程序不一定要求占用一個(gè)連續(xù)的）一個(gè)程序不一定要求占用一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間

12、，可以部分地裝入程序運(yùn)行；內(nèi)存空間，可以部分地裝入程序運(yùn)行；4 4）便于多個(gè)進(jìn)程）便于多個(gè)進(jìn)程共享同一個(gè)程序的代碼。共享同一個(gè)程序的代碼。動(dòng)態(tài)地址重定位的代價(jià)：動(dòng)態(tài)地址重定位的代價(jià)：1 1）需要硬件的支持；）需要硬件的支持；2 2）實(shí)現(xiàn)存）實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理的軟件算法較為復(fù)雜。儲(chǔ)管理的軟件算法較為復(fù)雜。4.2 程序的裝入和鏈接程序的裝入和鏈接（可能產(chǎn)生）可執(zhí)行程序文件編譯鏈接裝入二進(jìn)制內(nèi)存映像程序處理步驟：編譯-編譯程序，負(fù)責(zé)檢查語法錯(cuò)，涉及名空間。輸入：源程序；輸出：多個(gè)目標(biāo)模塊；鏈接-鏈接程序，負(fù)責(zé)將多個(gè)模塊相關(guān)聯(lián)，涉及邏輯地址空間。輸入：多個(gè)目標(biāo)模塊、庫函數(shù)；輸出：裝入模塊；裝入：裝入程序，負(fù)

13、責(zé)內(nèi)存分配和地址映射，涉及內(nèi)存空間。輸入：裝入模塊；輸出：可執(zhí)行的二進(jìn)制內(nèi)存映像。過程或函數(shù)可能分別對應(yīng)一個(gè)模塊！4.1.2 4.1.2 程序的鏈接程序的鏈接 1.1.靜態(tài)鏈接方式靜態(tài)鏈接方式(Static Linking)(Static Linking)圖 4-3 程序鏈接示意圖 鏈接前，鏈接前，每個(gè)模每個(gè)模塊都有塊都有各自的各自的相對起相對起始地址始地址0 0鏈接后，鏈接后，每個(gè)模每個(gè)模塊使用塊使用同一個(gè)同一個(gè)相對起相對起始地址始地址0 0名空間名空間邏輯地址空間邏輯地址空間在程序運(yùn)行之前，先將各目標(biāo)模塊及它們所需的庫函數(shù)，鏈接成一個(gè)完整的裝入模塊，又稱為可鏈接成一個(gè)完整的裝入模塊，又稱為

14、可執(zhí)行文件執(zhí)行文件，以后不再拆開。解決：對相對地址進(jìn)解決：對相對地址進(jìn)行修改；變換外部調(diào)用符號行修改；變換外部調(diào)用符號不要求！不要求！2.2.裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(Load(Loadtime Dynamic Linking)time Dynamic Linking)基基本本思思想想：源源程程序序被被編編譯譯生生成成的的目目標(biāo)標(biāo)模模塊塊，是是在在裝裝入入內(nèi)內(nèi)存存時(shí)時(shí)，邊邊裝裝入入邊邊連連接接。裝裝入入程程序序根根據(jù)據(jù)外外部部模模塊塊調(diào)調(diào)用用而而逐逐個(gè)個(gè)裝裝入入和和連連接接。裝裝入入時(shí)時(shí)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)鏈鏈接接方方式式有有以下優(yōu)點(diǎn)以下優(yōu)點(diǎn)便于修改和更新：便于修改和更新：各個(gè)模塊的修改極易編譯和連接

15、；各個(gè)模塊的修改極易編譯和連接；便于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享：便于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享：將內(nèi)存中的一個(gè)模塊可以連接到多個(gè)程序?qū)?nèi)存中的一個(gè)模塊可以連接到多個(gè)程序中。（中。（已在內(nèi)存的就不必重復(fù)裝入已在內(nèi)存的就不必重復(fù)裝入）要運(yùn)行的程序都必須在裝入時(shí)，全部連接調(diào)入內(nèi)存。要運(yùn)行的程序都必須在裝入時(shí)，全部連接調(diào)入內(nèi)存。3.3.運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(Run-time Dynamic Linking)(Run-time Dynamic Linking)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)鏈鏈接接方方式式：將將對對某某些些模模塊塊的的鏈鏈接接推推遲遲到到執(zhí)執(zhí)行行時(shí)時(shí)才才實(shí)實(shí)施施，亦亦即即，在在執(zhí)執(zhí)行行過過程程中中，當(dāng)當(dāng)發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)一

16、一個(gè)個(gè)被被調(diào)調(diào)用用模模塊塊尚尚未未裝裝入入內(nèi)內(nèi)存存時(shí)時(shí)，立立即即由由OSOS去去找找到到該該模模塊塊并并將之裝入內(nèi)存，把它鏈接到調(diào)用者模塊上。特點(diǎn)如下：將之裝入內(nèi)存，把它鏈接到調(diào)用者模塊上。特點(diǎn)如下：特特點(diǎn)點(diǎn)：凡凡在在執(zhí)執(zhí)行行過過程程中中未未被被用用到到的的目目標(biāo)標(biāo)模模塊塊，都都不不會(huì)會(huì)被被調(diào)調(diào)入入內(nèi)內(nèi)存存和和被被鏈鏈接接到到裝裝入入模模塊塊上上，這這樣樣不不僅僅可可加加快快程程序序的的裝裝入入過過程程，而而且且可可節(jié)節(jié)省省大大量量的的內(nèi)內(nèi)存存空空間。間。三種鏈接方式的差別相當(dāng)于：三種鏈接方式的差別相當(dāng)于：靜態(tài)鏈接：上車（相當(dāng)于進(jìn)入內(nèi)存）前集合起來靜態(tài)鏈接：上車（相當(dāng)于進(jìn)入內(nèi)存）前集合起來裝入時(shí)鏈接：上車后集合起來（裝入時(shí)鏈接：上車后集合起來（有利于共享已在內(nèi)存中的部分有利于共享已在內(nèi)存中的部分）運(yùn)行時(shí)鏈接：開車后需要時(shí)集合起來（運(yùn)行時(shí)鏈接：開車后需要時(shí)集合起來（按需調(diào)入按需調(diào)入）4.2.1 4.2.1 程序的裝入程序的裝入1.1.絕對裝入方式絕對裝入方式(Absolute Loading Mode)(Absolute Loading Mode)程程序序中中所所使使用用的的絕絕對對地地