计算机操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序，它的核心职责之一是对存储器进行有效管理。存储管理在操作系统中占据重要地位，因为它涉及到程序和数据的存储、内存的分配与回收、存储保护以及存储器的扩展等多个方面。
一、存储管理机构要解决的问题
1. **存储分配问题**：操作系统需要确定如何有效地分配存储空间给不同的进程，同时考虑共享和不同分配策略，如固定分区、动态分区等。
2. **地址再定位问题**：为了适应不同进程的地址需求，操作系统需要设计地址变换机构，包括静态和动态重定位技术，确保进程在内存中的正确执行。
3. **存储共享问题**：多个进程可能需要共享同一段内存，例如共享库或者共享数据结构，操作系统需要提供机制来实现这一目标，同时防止数据冲突。
4. **存储保护问题**：保护内存中的程序和数据不受其他进程的非法访问，以确保系统的安全性和稳定性。
5. **存储扩充问题**：通过虚拟存储技术，操作系统能够使得进程获得超过实际物理内存大小的地址空间，提高内存的使用效率。
二、存储组织和层次结构
计算机的存储系统通常包含多级存储体系，从最快但容量最小的寄存器和高速缓存，到较慢但容量较大的主存储器，再到磁盘和更慢的外部存储设备。高速缓存（Cache）用于减少主存访问延迟，主存储器（RAM）用于存放当前运行的程序，而磁盘则作为长期存储，用于保存大量数据。
三、存储管理的功能
1. **存储分配和回收**：操作系统通过不同的分配算法（如首次适应、最佳适应、最差适应等）为进程分配内存，并在进程结束时回收内存，同时维护内存分配表等数据结构来追踪内存状态。
2. **存储共享和保护**：通过设置访问权限，允许多个进程共享代码和数据，同时防止越界访问和数据篡改。例如，使用保护寄存器（基址寄存器和限长寄存器）来限制进程的地址范围。
3. **地址变换**：操作系统在程序编译、加载和运行时分别进行链接、重定位和地址映射，确保程序在内存中的正确执行。
4. **存储器扩充**：采用覆盖技术、交换技术和虚拟存储技术，如请求分页和请求分段，实现逻辑地址与物理地址之间的转换，以提供更大的地址空间。
四、内存空间的管理
内存通常划分为系统区和用户区，系统区存储操作系统和关键数据结构，用户区则供用户程序使用。内存分配和回收使用各种数据结构，如位示图、空闲页面表、空闲块表或空闲块链表，以跟踪内存的状态并实现高效分配。
五、存储共享与保护
内存共享允许多个进程访问相同区域，节省内存资源并促进进程间的通信。存储保护则是通过硬件和软件的结合，防止进程访问非授权区域，确保系统稳定运行。通常，系统会设置基址寄存器和限长寄存器来限定进程的地址访问范围，防止越界访问。
总结来说，计算机操作系统的存储管理是复杂且至关重要的，它不仅涉及到内存的有效利用，还关系到系统的性能、安全性和可靠性。通过一系列技术手段，操作系统实现了对存储器的高效管理，满足了不同进程的需求。
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