内存管理技术——离散分配方式

青旅半醒 2024-02-18 15:17 19阅读 0赞

上一篇讲到，采用固定分区的方式，会产生页内碎片等缺点，因此引入了动态分区方式。但动态分区又产生了外部碎片，导致内存的利用率也不理想。为了进一步提高内存的利用率，所以就产生了离散的分配方式。（理论来源于实际问题，这很好的体现在计算机科学中）

离散分配首先要解决的是**分配的基本单位**问题。通常，分配的基本单位是页与段。页：固定大小的片段。段：长度可变，它是用户可以自己定义的一段数据集合（即用户根据需要来划分程序：代码段，静态数据段，堆段，栈段）。

根据分配基本单位 的不同，离散分配管理 方式分为一下三种：

1、分页存储管理

分页存储管理是将一个**进程的逻辑地址空间**分成若干个大小相等的片，称为页面或页，并为各页加以编号，从0开始，如第0页、第1页等。相应地，也把**物理内存空间分成与页面相同大小的**若干个**存储块**，称为**（物理）块**或**页框（frame）**,也加以编号，如第0块，第1块等等。

用户空间（即进程的逻辑地址空间）的每个页面在需要载入系统时，都需要向操作系统请求一个空闲的页框（即在内存中找到空闲的区域），并将该页面与该页框之间联系起来。一个进程的两个连续页面也可以分配到不连续的两个页框中，这样就实现了**离散分配**。

在分页系统中，允许将进程的各个页离散地存储在内存不同的物理块中，但系统应能保证进程的正确运行，即能在内存中找到每个页面所对应的物理块，为了描述进程的内存分布情况，引入一个单独的数据结构**（页表）。**系统为每个进程都建立了一张页面映像表，**简称页表**。（页号到块号的地址映射）

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在一个32位机中，当页面大小为4kB时，它的**页内偏移量**（也称为**页内地址**）所占的位数最大为2的12次方，即需要12位，所以0~11位是页内偏移量，其余的12~31位存放页号。如下图

![看这里][Center]

**地址转换**是分页系统必须实现的功能。设置 一个寄存器来进行地址转换，即快表（也称为联想寄存器）。由于快表成本的原因，快表不能很大，通常在16~512个页表之间。**快表中只存放当前使用频繁的页表**。

2、分段存储管理

在分段式存储管理系统中，用户把自己的作业（进程）**按照逻辑关系划分为若干个段**，每个段都是从0开始编址，并有自己的名字和长度。因此，希望要访问的逻辑地址是由段名（段号）和段内偏移量（段内地址）决定的。

为每个分段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以离散地装入内存中不同的分区中，因此也实现了**离散分配**。  
为使程序能正常运行，即能从物理内存中找出每个逻辑段所对应的位置，应像分页系统那样，在系统中为每个进程建立一张段映射表，**简称“段表”**。  
\---- 每个段在表中占有一个表项，其中记录了该段在内存中的起始地址（“基址”）和段长（字节）。段表一般放在内存中。在配置了段表后，  
执行中的进程可通过查找段表找到每个段所对应的内存区。可见，**段表是用于实现从逻辑段到物理内存区的映射**。

3. 段页式存储管理

为了解决分段的外部碎片问题，再次将“页”引入，**即把一个段划分为许多页，形成两者的集合体**，称为段页式存储管理。这是现代操作系统采用的最多的方式，而单纯的分页存储，分段存储从来就没被采用过（哈哈）。同理，将页划分为段，就称为页段式存储。不过一般段比页要大得多，所以都用段页式。

**现在逻辑地址就是如下状态：**

![现在逻辑地址][Center 1]

由于进程的段不多，所以段的位数比较少。32位机上通常是8位，即256个段。如果页面大小为4KB，那么页内地址12位，段地址8位，段内页号32-8-12=12位，即一个段有4K大小的页。

一个段内的每个页都可以装入内存的页框（块）中去。所以与分页系统一样，这里也有一个页表，来记录段的页的内存驻留情况。进程的段也需要一个段表来记录，以实现分段保护和共享等功能。

地址转换这里也是用快表，利用硬件也完成地址转换。这里复杂一些，需要分别获取段表，页表。所以产生了额外的内存开销

总结：

在页式、段式存储管理中，为获得一条指令或数据，**须两次访问内存**（一次访问页表/段表，一次访问内存取真正的内存单元）；

**而段页式则须三次访问内存**（第一次是由段表地址寄存器得段表始址后**访问段表**，由此取出对应段的页表在内存中的地址。 第二次则是**访问页表**得到所要访问的物理地址。 第三次才能**访问真正需要访问的物理单元**）

参考：

[https://blog.csdn.net/u014338577/article/details/82750771][https_blog.csdn.net_u014338577_article_details_82750771]

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