操作系统(OS, Operating System) 课件：第4章存储管理1.pdf

操作系统中的存储管理是确保计算机系统高效运行的关键组成部分。在第4章中，主要讨论了存储器的层次结构、程序的装入和链接以及各种存储管理方式。以下是对这些知识点的详细解释： 存储器的层次结构是多级的，包括CPU寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。寄存器是最快的存储层次，但容量有限，主要用于临时存储运算中的数据。主存储器（内存）是程序运行时存放代码和数据的地方，CPU直接与之交互，但其访问速度较慢。高速缓存（Cache）位于主存和CPU之间，通过缓存最近常用的数据来减少主存的访问，从而提高性能。辅助存储器（如硬盘）容量大，价格低，但速度慢，通常用于长期存储。 接着，程序的装入和链接是执行程序前必要的步骤。装入是指将编译后的程序加载到内存中，链接则是在程序的各个部分之间建立关联，使得程序可以正确执行。这通常涉及到静态链接和动态链接两种方式。静态链接在程序编译时完成，所有依赖的库函数和模块都合并到一个可执行文件中。动态链接则在程序运行时进行，只加载所需的库和模块，节省内存。 在连续分配方式中，内存被连续划分给一个或多个进程，有单一连续分配（适用于单用户、单任务系统）和固定分区分配（每个分区大小固定，适用于多道批处理系统）。然而，这种分配方式可能导致内部碎片（未使用的内存块在已分配区域内部）和外部碎片（可用的内存块太小无法满足大进程的需求）。 分页存储管理方式解决了碎片问题，将内存划分为固定大小的页，程序也被分割成同样大小的页。基本分页系统中，每个进程有自己的页表，用来映射逻辑地址到物理地址。请求分页进一步引入了虚拟内存的概念，当所需页面不在内存时，由操作系统负责从磁盘加载。 分段存储管理方式则是基于逻辑结构的分配，每个段代表程序的一个逻辑单元，如函数或数据结构。这种方式更利于程序的组织和共享，但同样可能导致碎片问题。 虚拟存储器是一种逻辑扩充内存的技术，允许程序占用超过物理内存的地址空间。请求分页和请求分段都是虚拟存储器的实例，它们使用页面或段替换策略来决定何时将内存中的内容换出到磁盘，以及何时将磁盘上的内容换入内存。常见的页面替换算法有LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）和OPT（最佳替换）等。 内存管理还包括内存的分配与回收、地址转换、内存保护和内存共享等功能。内存分配涉及如何有效地分配内存空间给进程，而回收则是释放不再使用的内存。地址转换将逻辑地址转换为物理地址，内存保护防止进程越界访问或非法访问，内存共享允许多个进程共享同一资源，如代码库。 这些存储管理技术共同作用，确保了操作系统能够高效、安全地运行各种程序，充分利用有限的内存资源。