OS-05 存储器管理
OS-05 存储器管理
一、程序的装入与链接
一个程序从源代码到在内存中执行，需要经历编译、链接和装入三个阶段。其中链接和装入方式会直接影响程序的执行效率和内存占用。
静态链接：在程序运行之前，将所有需要的目标模块和库函数链接成一个完整的可执行文件。优点是运行时不需额外加载，缺点是浪费空间（多个程序可能包含相同的库函数副本）且更新困难。
装入时动态链接：在将程序装入内存时，边装入边链接。用到的模块才被装入内存，未用到的模块不装入。这种方式灵活性更高。
运行时动态链接：程序在运行过程中，需要某个模块时才进行链接和装入。这是最灵活的方式，常用于插件系统和共享库。Linux中的共享库（.so文件）就是采用这种方式的典型例子。
二、可变分区分配算法
在可变分区分配中，内存被动态地划分为大小不同的分区。当需要为一个进程分配内存时，系统从空闲分区列表中选择一个合适的区域。
首次适应算法（FF）：从内存低地址开始，选择第一个大小足够容纳进程的空闲分区。这是最简单的算法，实现速度快，但容易在低地址区域产生大量碎片。
最优适应算法（OF）：从所有空闲分区中选择大小最接近进程需求的分区。这样可以减少大分区被分割的可能性，但会产生很多难以利用的小碎片。
最差适应算法（WF）：选择最大的空闲分区。这样分割后剩余的空间仍然较大，可以容纳其他进程，但大分区很快就被分割成中等大小的分区，导致大进程无法分配。
三、分页式存储管理
分页是解决内存碎片问题的有效方法。它将物理内存划分为大小相等的块，称为"页框"或"帧"（Frame），将进程的逻辑地址空间也划分为同样大小的块，称为"页"（Page）。进程的各个页可以分散存放在不连续的页框中，通过"页表"来记录页与页框的映射关系。
3.1 地址变换过程
逻辑地址由两部分组成：[页号 | 页内偏移地址]。地址变换的过程是：
第一步：从逻辑地址中提取页号和页内偏移。这通过简单的除法和取模运算完成。
第二步：以页号为索引在页表中查找对应的页框号。
第三步：计算物理地址 = 页框号 × 页面大小 + 页内偏移。
例题：假设页面大小为4KB，页表内容为 {0→2, 1→4, 2→6, 3→8}，求逻辑地址4100对应的物理地址。
页面大小 = 4KB = 4096B
页号 = 4100 / 4096 = 1（商）
页内偏移 = 4100 mod 4096 = 4（余数）
页表中页号1对应的页框号为4
物理地址 = 4 × 4096 + 4 = 16384 + 4 = 16388
3.2 快表（TLB）
由于页表存放在内存中，每次地址变换需要额外的一次内存访问（查页表），导致实际访存时间翻倍。TLB（快表）就是用来解决这个问题的。
TLB是一个容量很小但速度极快的硬件缓存，它存储了最近使用的页表项。在进行地址变换时，CPU首先检查TLB：
- 如果TLB命中（所需页号在TLB中），则直接得到页框号，无需访问内存中的页表
- 如果TLB未命中，则需要访问内存中的页表，并将新的映射关系加入TLB
TLB访问时间计算：
假设TLB访问时间为1ns，内存访问时间为100ns，TLB命中率为98%。则平均页面访问时间为：
平均时间 = 0.98 × (1 + 100) + 0.02 × (1 + 100 + 100) = 98.98 + 4.02 = 103ns
对比不使用TLB的情况：100 + 100 = 200ns。TLB将平均访问时间减少了近一半。
四、分段式存储管理
分段（Segmentation）是另一种存储管理方式。它从用户编程的角度出发，将一个程序划分为多个逻辑段：代码段、数据段、堆栈段等。每个段有独立的逻辑地址空间，从0开始编址。
逻辑地址结构：[段号 | 段内偏移]
与分页的关键区别：
- 分页是系统视角（为了管理便利），分段是用户视角（为了编程便利）
- 页面大小固定，段大小可变
- 分页是"看不见"的（对程序员透明），分段是"看得见"的（程序员需要感知段的存在）
- 分段便于实现共享和保护（可以为每个段设置独立的访问权限）
五、段页式存储管理
段页式结合了分段和分页的优点：先将程序按逻辑分段，再将每个段分成固定大小的页。地址变换需要两次查表：先查段表得到页表起始地址，再查页表得到页框号。虽然速度慢了一些，但兼顾了分段的逻辑清晰性和分页的存储效率。