操作系统-计算机体系结构及内存分层、地址生成和分配003

操作系统被加载到内存之后呢，对整个计算机系统进行管理和控制，首先管理和控制的就是内存。所以以下是操作系统如何管理物理内存

一、计算机体系结构、内存分层体系

了解了计算机体系结构、内存分层体系，才会知道操作系统如何进行管理。

1、计算机体系结构

主要包括三部分：CPU（完成程序的控制）、内存（放程序代码和处理的数据）、I/o设备（外设，键盘鼠标…）

2、内存分层体系

内存包括：CPU、cache、主存和物理内存。 速度越来越慢，存量越来越大
内存的层次结构：CPU要访问的指令或数据，所处的位置在什么地方。

• CPU可以访问的有：
  1.寄存器，2.cache（1,2位于CPU内部，所以速度很快，容量很小，操作系统不能直接管理）
  3.主存或者叫物理内存，主要用来放置操作系统本身以及运行的代码（向对寄存器和cache容量较大，速度偏慢。主存掉电后，信息消失。）
  4.硬盘，存储量大，但是偏慢。信息永久保存。

3、操作系统的内存管理范例（操作系统重点完成的目标）

• 抽象
  逻辑地址空间
  希望应用程序在内存中运行中，有利于操作系统的有效管理，不用考虑底层细节（比如物理内存的地方，外设的地方），只需要访问一个连续的空间（逻辑地址空间），就可以了。

• 保护
  独立地址空间
  在内存中可以运行多个运行程序，可能出现破快其他地址空间，需要一个有效机制，保护进程之间的地址，是需要隔离的。隔离的实现是需要操作系统来完成。

• 共享
  访问相同内存
  除了隔离，进程之间需要交互，共享空间，安全有效进行数据的传递。

• 虚拟化
  更多的地址空间
  当放了许多应用程序时，其实可能会出现内存不够现象。那么需要现在运行的程序获取所需空间，解决方法是：将需要放到内存的数据放到内存，暂时不访问的数据，放到硬盘。

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• 有两个地址空间，逻辑和物理空间，主存和硬盘是物理地址空间。程序看到的是逻辑空间。

二、地址空间&地址生成

操作系统怎么去和程序的编制执行的过程，如何交互

1.地址空间的定义（逻辑和物理地址的区别）

• 物理地址空间是：是和硬件直接对应的，比如说内存条所代表的的主存，硬盘所代表的的存储空间。物理内存的管理和控制是硬件来完成。
• 逻辑地址空间是：是指运行的程序，他说看到的内存空间。一维线性地址空间，应用程序很容易去访问、控制。所有程序去访问的逻辑地址空间，其实真实的都是落实在物理地址所存在的。

2.地址空间如何生成的。

• 应用程序在访问一个指令的时候，指令所处的逻辑地址，是如何对应到物理内存空间中呢？
• 一条指令有自己的逻辑地址，那么CPU要执行这条指令，需要从内存中将指令取出来，放到物理地址什么地方？CPU开始不知道，只知道有一个逻辑地址，通过逻辑地址查询物理地址，在硬件中有mmu有一块区域，表示映射关系，会在内存中有关系。查表就会知道，具体的逻辑地址对应的 物理地址在什么地方。就会硬件从相应的物理地址中取出来。

1. 当CPU执行指令时，ALU部件所需要指令的内容发出请求，请求参数是逻辑地址。
2. CPU中的mmu会查找逻辑地址映射表，是否对应物理地址。
3. CPU控制器会给主存，发出请求，所要物理地址的内容。
4. 主存会通过总线，传给CPU。
5. CPU得到指令内容，就会开始对指令的执行。

3.地址安全检查机制，操作系统如何保护地址

操作系统其中重要目标是:确保内存中的程序，相互之间互不干扰，确保每一个程序访问的地址空间是合法的。是限制在约束范围之内的。
操作系统保证程序有效访问地址空间，两部分组成：起始地址，长度
CPU执行某条指令时，会查map，map会指出来访问的某一个地址，逻辑地址是否满足区域的限制。如果满足：根据映射关系找到物理地址，将相对应的数据和指令取出来。如果不满足：我们的CPU会产生一个内存访问异常，从而操作系统进一步处理。

三、连续内存分配

操作系统有效管理连续的地址分配

1、内存碎片问题

• 空闲内存不能被利用
  当我们给一个运行的程序，分配空间之后，出现无法在进行利用的空间。

1. 外部碎片
   在分配单元之间的未使用内存（两个分配单元中间的碎片）
2. 内部碎片
   已经分配单元中的未使用内存（已分配程序，单元之内中的无法使用）

• 这两种都是希望减少出现的情况。

2、分区的动态分配

1.操作系统会将应用程序从硬盘中加载到内存中，需要在内存中分配一定的区域。让程序跑起来。
2.应用程序在运行时，需要访问数据，需要给数据分配空间。

操作系统需要管理整个内存空间。三种简单的内存空间算法。

1.首次第一适配

会直接分配第一个空闲块。

如果应用程序提出需求，需要分配N个byte，需要找到第一个能够满足N个byte的空闲块。将这个块分配给应用程序。

• 总结：

1. 简单实现
2. 易于产生更大空闲块，向着地址空间的结尾。
3. 需求：
   1.按地址大小，将空闲块进行排序
   2.分配需要寻找一个合适的分区
   3.重分配需要检查，看是否自由分区能合并与相邻的空闲分区。如能合并，则会形成更大的空间块，从而满足更大的需求。
4. 劣势：
   1.容易产生外部碎片。第一次找到，第一个空间块，下一次找到下一个空间块，可能这之间有空闲块儿，可能比较小，不容易使用到。
   2.不确定性

2.最佳适配

会分配500byte的空闲块，是因为：所需的空间和空间块所差值最小。

3.最差适配

最差和最优相反。
找到一个空闲的内存块，与提出的内存分配请求大小，差距是最大的。
400byte，选择第二个2K byte

3、压缩式碎片整理（将已有的数据进行合并）

无论采用哪种算法，都可能产生碎片。那么如何弥补减少碎片。便于后序的分配。

1. 重置程序以合并孔洞
2. 要求所有程序是动态重置的
3. 问题：那么何时重置和开销。

例如四个程序，五个空闲块，简单的来说进行拷贝、重定位。

4、交换式碎片整理

• 将硬盘当做成备份，比如说P4占了三个块，正好P4正在等待某个事件，那么将P4所占的四块空间，挪到硬盘上去。从而主存上空闲了3块空间。P4的数据只是从主存到了硬盘。当P4运行时，再从硬盘拷贝到主存中。
• 问题：
  1.需要选择哪一个数据块进行数据拷贝到硬盘？
  2.何时将主存数据拷贝到硬盘，何时拷贝回来呢？