3.1 存储管理基本概念

1. 计算机中的存储体系
2. 存储管理目标及任务
3. 连续存储区管理方案
4. 分区存储的管理方案
5. 存储覆盖与交换技术

一、计算机中的存储体系

（1）金字塔体系

越往上的存储越快，价格越高；
越往下的存储越慢，价格越低；

（2）主存储器（内存）

内存空间是由存储单元组成的一维连续的地址空间；
内存中存放代码及数据等信息；

一般来说，主存储器被分为两个区域：1、系统区 2、用户区

系统区存储操作系统本身的核心代码和数据；
用户区存储用用户进程、相关代码和数据；

二、存储管理目标及任务

（1）目标：

充分的利用内存空间，为进程的并发执行提供存储支持；

方便用户使用，让用户不用考虑硬件细节；

（2）功能任务

实现内存空间的管理、分配和回收

实现逻辑地址到物理地址的自动转换

实现多个进程间的信息共享与通信

实现多个进程隔离和信息保护

实现内存和辅存的协同使用

（3）地址重定位

在功能任务中，有一条是逻辑地址到物理地址的转换，这就是地址重定位（地址映射）；

例如：

假设有一个程序，程序员使用高级语言编写，经过编译器编译之后，编译系统会为程序赋予一个逻辑地址空间(逻辑地址空间一般是从0开始的)；

目标程序要被执行的话，必须被装载到内存空间中的某一特定区域去，此时就需要将逻辑地址转换成为物理地址；

（LOAD是汇编中的一个指令，用于读写数据）

地址的转换主要依赖基址寄存器（BR），基址寄存器中存放着逻辑地址在物理地址中的起点（类似于偏移量），用基址寄存器的值加逻辑地址就是物理地址， CPU必须要依赖物理地址才能找到数据和代码；

三、连续存储区管理方案

在早期单道环境中，系统使用单一连续存储管理；

内存中任然被分为系统区和用户区，但是用户区中一个时刻里只能装一个作业，一个作业结束了新的作业才能装入；
系统会有一个装入程序将作业队列中的作业放入用户区；

系统中有一个栅栏寄存器，存放界限地址，用以区别用户区和系统区，用户作业的物理地址就是界限地址 + 逻辑地址；

然而单道环境并不能支持并发操作；

四、分区存储的管理方案

（1）存储分区：

系统把内存用户区划分为若干分区，而不再是一整个连续区域

分区大小可以相等，也可以不相等；

一个进程只占据一个分区，一个分区中只能容纳一个进程；

存储分区有两种方案：
1、固定分区存储
2、可变分区存储

（2）固定分区存储

系统预先将内存分割成若干个连续的区域（每个物理分区在逻辑上和物理上都是连续的）；

如果有一个进程要被创建使用内存，系统要先判断内存中是否有足够大的能容纳下该进程的空闲分区，然后才能分配给该进程；如果没有合适的空闲分区，则该进程不能被创建，会被阻塞掉，直到有合适的空闲分区；

每一个用户进程在使用分区的时候都会受到空间大小限制，每一个分区都有一个下限寄存器和上限寄存器（可以理解为分区空间的上下界），用来限制进程使用的物理地址空间；
一旦进程要访问不属于该分区的物理地址时，系统会出现越界中断；

分区的管理：

为了管理相应的分区，系统会有一个分区表格包含分区的各类信息；当有进程要创建时，系统首先查询的就是分区表中的分区信息来判断有无合适空闲空间；

如图：

优缺点：

固定分区管理简单容易实现，但是内存利用率低，不够灵活

利用率低表现在：某分区被分配之后，空间不一定会变为完全利用，系统中会有很多大大小小的没被使用的空间；
不够灵活体现在：固定的分区可能不足以满足进程后续的对内存的动态申请；

（3）可变分区

• 内存不预先划分好

• 根据需求和内存空间来分配（按需分配）

如图：

为了管理好可变分区，系统有两张表： 1.空闲分区表 2.已分配分区表

（已分配分区表的状态是使用该空间的进程名）
通过这两张表的协作，就可以管理好内存空间，如果有一个新进程要使用内存空间，只需要修改两张表即可；

优缺点：

相较固定分区灵活了不少；

但是内存回收的时候要进行空间的合并，还要修改相关的管理表格（空间的合并修改比较复杂）

内存碎片：反复分配回收后，会产生很多不连续的小空闲块；

因此就希望有一个技术能够将内存碎片紧凑化；（紧凑技术）

五、存储覆盖与交换技术

（1）覆盖技术

引入原因：

在多道环境下常常需要扩充内存，解决在较小的存储空间中运行较大、较多进程时的矛盾；（内存不够用）

进程的程序和数据主要放在外存，需要执行的部分放在内存，内外存之间进行信息交换；

覆盖技术：

进程的若干程序段、数据段等共享同一存储空间；（同一个空间在不同时间被不同进程使用，分时的共享同一个存储空间）

要实现进程间的彼此覆盖，就要求各个模块之间明确的调用结构，并向系统指明；

例如：

有一个模块A的调用关系如图示树形结构：

由于模块的调用有时序性（即一个模块在同一时间内只能调用一个子模块，若干个子模块不能同时被调用），因此B和C模块所占用的内存空间是可以相互覆盖的，D、E和F模块占用的内存空间是是可以相互覆盖的；

如图所示：

通过分时覆盖技术，可以大大减少进程所需的内存空间

（2）交换技术

覆盖技术是单个进程内部各模块之间的分时内存覆盖，而交换技术是多个进程分时共享内存储空间；

以进程为单位，在内外存之间动态的调度

需要在外存中设置一个盘交换区（swap分区）