操作系统内存管理复习

存储器（非重要）

DRAM(动态存储器)和SRAM(静态存储器)的对比

分类

• RAM: Random Access Memory
• • SRAM
• • DRAM
• • SDRAM,DDR SDRAM

• ROM: Read Only Memory

• • PROM,EPROM,EEPROM

• Flash memory(SSD)

• • Nor
• • NAND

• Disk(磁盘)

• Tape(磁带)

GCC包含的几个工具

• CC1 : 预处理器和编译器
• as : 汇编器
• collect2 : 链接器

程序装入、执行的过程

一般要经历预处理、编译、链接、重定位、装入。

链接

重定位

重定位分为静态重定位和动态重定位。

装入

流程

1. ELF头魔数检验
2. 找到段表项
3. 根据段表项解析出各个段应当被加载到的虚地址，在文件中的偏移。
4. 正式加载每一段，分配物理页面，并按虚地址映射。
5. 用0填充内存和文件大小不匹配的区域
6. 改PC为入口地址
7. 开始执行

段

我们只需要了解bss段，data段和text段。
bss:用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。bss是英文Block Started by Symbol的简称。bss段属于静态内存分配。
data:数据段（data segment）用来存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。
text:代码段（code segment/text segment）用来存放程序执行代码的一块内存区域。

1. text和data段都在可执行文件中，由系统从可执行文件中加载，而bss段不在可执行文件中，由系统初始化。 （一般为0）
2. 一个装入内存的可执行程序，除了bss、data和text段外，还需构建一个栈（stack）和一个堆（heap）
3. 你可以认为一个程序就是由bss、data和text段组成的

栈和堆

• 栈：存放局部变量，函数压栈（静态）
• 堆：存放malloc等分配的内容（动态增缩）

整体细节

• 程序的入口点一般不是main函数，在此之前要做一些准备才能跳转到main函数。
• 一个segment在文件中的大小是小于等于其在内存中的大小。
• 如果在文件中的大小小于在内存中的大小，那么在载入内存时通过补零使其达到其在内存中应有的大小。
• 代码段和数据段都在segment中

ELF文件

这个连接将程序头表/段头表讲的很清楚，注意的是他以64位为基础。ELF 文件解析 3-段
这个连接将节头表讲的很清楚，注意的是他以64位为基础。ELF 文件解析 1-节

记住几个结构体的名字：
Elf32_Ehdr 是ELF文件头的数据结构。
Elf32_Shdr 是节头表表项的数据结构。
Elf32_Phdr 是段头表表项的数据结构。

存储管理

基石

1. 地址独立：程序发出的地址与物理地址无关
2. 地址保护：一个程序不能访问另一个程序的地址空间

   解决的问题

   分配和回收

   分配

   三种方式

   直接指定、静态分配、动态分配。

   直接指定

   用实际物理地址进行分配

   静态分配

   均从逻辑地址的0地址开始，链接装入时才能确认在物理内存中的地址

   动态分配

   同样是装入时确认在物理内存中的地址，但可以动态控制程序的大小

内存管理

单道程序比较简单、采用直接指定的方式。

多道程序

空间分配

分区式分配：把内存分为一些大小相等或不等的分区(partition)，每个应用程序占用一个或几个分区。操作系统占用其中一个分区。

可以支持多个程序并发，但难以进行共享。

划分分区的方法

固定式分区

定义

把内存划分为若干个固定大小的连续分区。

分配方式

• 单队列分配：无论大小，统一排队等待分配
  
• 多队列分配：根据分区的大小，开多个队列针对各个分区进行分
  

  总结

• 优点：易于实现，开销小
• 缺点：内碎片造成浪费，分区数目固定，限制了并发程序数目
• 数据结构： 分区表，记录分区大小和使用情况

可变式分区

定义

分区的边界可以移动，即分区的大小可变。

分配算法

• 首次适应：每个空白区按其在存储空间中地址递增的顺序连在一起，在为作业分配存储区域时，从这个空白区域链的始端开始查找，选择第一个足以满足请求的空白块。
• 下次适应：把存储空间中空白区构成一个循环链，每次为存储请求查找合适的分区时，总是从上次查找结束的地方开始，只要找到一个足够大的空白区，就将它划分后分配出去。
• 最佳适应算法：为一个作业选择分区时，总是寻找其大小最接近于作业所要求的存储区域。
• 最坏适应算法：为作业选择存储区域时，总是寻找最大的空白区
• 快速适应算法：把空闲分区按容量大小进行分类，经常用到长度的空闲区设立单独的空闲区链表。系统为多个空闲链表设立一张管理索引表。分配时根据索引直接查表，取下合适的空闲区链表首项即可。
• 伙伴系统：分区均为2的n次幂，对于一个分配请求，向上取整找最合适的，如果没有，就将大的拆成两个最合适的，一个挂在表中，一个分配，这两个成为伙伴，只有两个同时空闲，就会向上重新合并成大的，直到合不了位置。

碎片

• 内碎片：指分配给作业的存储空间中未被利用的部分，如固定分区中存在的碎片。
• 外碎片：指系统中无法利用的小的空闲分区。如分区与分区之间存在的碎片。这些不连续的区间就是外部碎片。动态分区管理会产生外部碎片，可以通过紧凑进行进行缓解，通过多重分区分配进行缓解。

  一个作业往往由相对独立的程序段和数据段组成，将这些片断分别装入到存储空间中不同的区域内的分配方式。

分区保护

1. 界限寄存器：上下界寄存器方法、基址、限长寄存器方法。
2. 存储保护键方法：给存储块配锁，访问前看锁和钥匙是否匹配。

内存扩展

覆盖

定义

把一个程序划分为一系列功能相对独立的程序段，让执行时不要求同时装入内存的程序段组成一组（称为覆盖段） ，共享主存的同一个区域，这种内存扩充技术就是覆盖。

工作主体

程序员指明覆盖结构，操作系统完成。

图示

交换

定义

广义的说，所谓交换就是把暂时不用的某个（或某些）程序及其数据的部分或全部从主存移到辅存中去，以便腾出必要的存储空间；接着把指定程序或数据从辅存读到相应的主存中，并将控制转给它，让其在系统上运行。

工作主体

操作系统独立完成。

图示

区别

• 覆盖可减少一个程序运行所需的空间。交换可让整个程序暂存于外存中，让出内存空间。
• 覆盖是由程序员实现的，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。交换技术不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构。
• 覆盖技术主要对同一个作业或程序进行。交换主要在作业或程序间之间进行。