3.1 内存管理基础与连续分配

内存管理的功能；程序的编译、链接与装入（绝对装入、静态重定位、动态重定位）；逻辑地址与物理地址、进程的内存映像；内存保护与共享；覆盖与交换；单一连续分配、固定分区分配与动态分区分配（首次、邻近、最佳、最坏适应）及其回收；内部碎片与外部碎片。

内存管理的功能

操作系统对内存的划分和动态分配就是内存管理，主要功能有：

• 内存空间的分配与回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦；
• 地址转换：把程序中的逻辑地址转换为内存中的物理地址；
• 内存空间的扩充：利用覆盖、交换或虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存；
• 内存共享：允许多个进程访问内存的同一部分；
• 存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。

程序的链接与装入

用户源程序要变为可在内存中执行的程序，通常要经过三步：

1. 编译：由编译程序把源代码编译成若干目标模块；
2. 链接：由链接程序把目标模块以及它们所需的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。链接后形成完整的逻辑地址；
3. 装入：由装入程序把装入模块装入内存运行。

逻辑地址与物理地址

编译后，每个目标模块都从 0 号单元开始编址，这称为该目标模块的相对地址（逻辑地址）；链接后，整个程序有一个从 0 开始编址的逻辑地址空间。用户程序和程序员只需知道逻辑地址，而物理地址是内存中实际存储单元的地址。进程运行时看到和使用的都是逻辑地址，由地址转换（重定位）机构把它变为物理地址。

一个进程在内存中的映像通常包括：代码段（只读，可以被多个进程共享）、数据段（全局变量和静态变量）、进程控制块（存放在系统区）、堆（动态分配的内存，向高地址增长）、栈（函数调用时的局部变量、参数和返回地址，向低地址增长）。

内存保护

内存分配前要保护操作系统不受用户进程的影响，同时保护用户进程不受其他用户进程的影响。常用两种方法：

1. 在 CPU 中设置一对上、下限寄存器，存放用户作业在主存中的上限和下限地址，每当 CPU 要访问一个地址时，分别和两个寄存器的值相比较，判断有无越界；
2. 采用重定位寄存器（基址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）：重定位寄存器存放进程的最小物理地址，界地址寄存器存放进程的最大逻辑地址。访问内存时，先把逻辑地址与界地址寄存器比较，若未越界，再加上重定位寄存器的值得到物理地址。

加载重定位寄存器和界地址寄存器必须使用特权指令，只有操作系统内核才能加载。

覆盖与交换

• 覆盖：把用户空间分成一个固定区和若干个覆盖区，经常活跃的部分放在固定区，其余部分按调用关系分段，即将访问的段放入覆盖区，其他段放在外存。覆盖必须由程序员声明覆盖结构，对用户不透明，现在已很少使用。
• 交换（对换）：把处于等待状态（或在 CPU 调度原则下被剥夺运行权）的进程从内存移到外存，把内存空间腾出来，这一过程称为换出；把准备好竞争 CPU 的进程从外存移到内存，称为换入。中级调度就是采用交换技术。交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，换出的进程放在外存的对换区（连续分配，读写速度比文件区快）。

覆盖是在同一个程序或进程中进行的；交换是在进程（作业）之间进行的，对用户透明。

连续分配管理方式

连续分配为一个用户程序分配一个连续的内存空间。

单一连续分配

内存分为系统区和用户区，用户区内存中仅有一道用户程序，整个用户区为一个用户独占。实现简单、无外部碎片，可以采用覆盖技术扩充内存；但只能用于单用户、单任务的操作系统，有内部碎片，存储器的利用率极低。

固定分区分配

把用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。分区可以大小相等，也可以大小不等。系统建立一张分区说明表，每个表项记录分区的大小、起始地址和状态（是否已分配）。

固定分区是最简单的多道程序存储管理方式。它的问题是：程序可能太大而放不进任何一个分区，只能采用覆盖技术；程序小于分区时，分区中未被利用的空间就成了内部碎片，主存利用率低。

动态分区分配

动态分区（可变分区）不预先划分内存，而是在进程装入内存时，根据进程的实际需要动态地为它分配内存，使分区的大小正好适合进程的需要。系统中分区的大小和数目都是可变的。

随着进程不断地装入和退出，内存中会出现许多小的空闲分区，它们都太小而无法分配出去，这些称为外部碎片。外部碎片可以通过紧凑（拼凑）技术解决：操作系统不时地对进程进行移动和整理，这需要动态重定位寄存器的支持，而且相对费时。

系统用空闲分区表或空闲分区链记录空闲分区。把一个新作业装入内存时，按某种分配算法从空闲分区中选出一个分区：

回收分区时，要根据回收区与相邻空闲分区的位置关系进行合并，共有四种情况：① 回收区与前一个空闲分区相邻，合并后修改前一个分区的大小；② 与后一个空闲分区相邻，合并后修改后一个分区的起始地址和大小；③ 与前、后两个空闲分区都相邻，三者合并为一个分区，并删除后一个分区的表项；④ 前后都不相邻，为回收区单独建立一个新表项。

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