❶ 基本分頁存儲管理方式的兩級和多級頁表
現代的大多數計算機系統，都支持非常大的邏輯地址空間(2^32～2^64)。在這樣的環境下，頁表就變得非常大，要佔用相當大的內存空間。例如，對於一個具有32位邏輯地址空間的分頁系統，規定頁面大小為4 KB即2^12 B，則在每個進程頁表中的頁表項可達1兆個之多。又因為每個頁表項佔用四個位元組，故每個進程僅僅其頁表就要佔用4 MB的內存空間，而且還要求是連續的。顯然這是不現實的，我們可以採用下述兩個方法來解決這一問題：
(1) 採用離散分配方式來解決難以找到一塊連續的大內存空間的問題；
(2) 只將當前需要的部分頁表項調入內存，其餘的頁表項仍駐留在磁碟上，需要時再調入。
兩級頁表(Two-Level Page Table)
對於要求連續的內存空間來存放頁表的問題，可利用將頁表進行分頁，並離散地將各個頁面分別存放在不同的物理塊中的辦法來加以解決，同樣也要為離散分配的頁表再建立一張頁表，稱為外層頁表(Outer Page Table)，在每個頁表項中記錄了頁表頁面的物理塊號。下面我們仍以前面的32位邏輯地址空間為例來說明。當頁面大小為 4 KB時(12位)，若採用一級頁表結構，應具有20位的頁號，即頁表項應有1兆個；在採用兩級頁表結構時，再對頁表進行分頁，使每頁中包含2^10 (即1024)個頁表項，最多允許有2^10個頁表分頁；或者說，外層頁表中的外層頁內地址P2為10位，外層頁號P1也為10位。此時的邏輯地址結構可描述如下：
由右圖可以看出，在頁表的每個表項中存放的是進程的某頁在內存中的物理塊號，如第0#頁存放在1#物理塊中；1#頁存放在4#物理塊中。而在外層頁表的每個頁表項中，所存放的是某頁表分頁的首址，如第0#頁表是存放在第1011#物理塊中。我們可以利用外層頁表和頁表這兩級頁表，來實現從進程的邏輯地址到內存中物理地址間的變換。
為了地址變換實現上的方便起見，在地址變換機構中同樣需要增設一個外層頁表寄存器，用於存放外層頁表的始址，並利用邏輯地址中的外層頁號，作為外層頁表的索引，從中找到指定頁表分頁的始址，再利用P2作為指定頁表分頁的索引，找到指定的頁表項，其中即含有該頁在內存的物理塊號，用該塊號和頁內地址d即可構成訪問的內存物理地址。右圖示出了兩級頁表時的地址變換機構。 對於32位的機器，採用兩級頁表結構是合適的；但對於64位的機器，採用兩級頁表是否仍可適用的問題，須做以下簡單分析。如果頁面大小仍採用4 KB即2^12 B，那麼還剩下52位，假定仍按物理塊的大小(2^12位)來劃分頁表，則將餘下的42位用於外層頁號。此時在外層頁表中可能有4096 G個頁表項，要佔用16 384 GB的連續內存空間。這樣的結果顯然是不能令人接受的，因此必須採用多級頁表，將外層頁表再進行分頁，也就是將各分頁離散地裝入到不相鄰接的物理塊中，再利用第2級的外層頁表來映射它們之間的關系。
對於64位的計算機，如果要求它能支持2^64 B(= 1 844 744 TB)規模的物理存儲空間，則即使是採用三級頁表結構也是難以辦到的；而在當前的實際應用中也無此必要。故在近兩年推出的64位OS中，把可直接定址的存儲器空間減少為45位長度(即2^45)左右，這樣便可利用三級頁表結構來實現分頁存儲管理。
❷ 操作系統的內存分配一般有哪幾種方式,各有什麼優缺點
變長：內存時比較靈活，但是易產生內存碎片。
定長：靈活性差，但分配效率較高，不會產生內存碎片。
❸ 內存為程序分配空間的四種分配方式
存儲器是個寶貴但卻有限的資源。一流的操作系統，需要能夠有效地管理及利用存儲器。
內存為程序分配空間有四種分配方式：
1、連續分配方式
2、基本分頁存儲管理方式
3、基本分段存儲管理方式
4、段頁式存儲管理方式
首先講連續分配方式。 連續分配方式 出現的時間比較早，曾廣泛應用於20世紀60~70年代的OS中，但是它至今仍然在內存管理方式中佔有一席之地，原因在於它 實現起來比較方便，所需的硬體支持最少 。連續分配方式又可細分為四種： 單一連續分配、固定分區分配、動態分區分配和動態重定位分區分配 。
其中固定分區的分配方式，因為分區固定，所以缺乏靈活性，即 當程序太小時，會造成內存空間的浪費（ 內部碎片 ） ； 程序太大時，一個分區又不足以容納，致使程序無法運行（ 外部碎片 ） 。但盡管如此，當一台計算機去控制多個相同對象的時候，由於這些對象內存大小相同，所以完全可以採用這種內存管理方式，而且是最高效的。這里我們可以看出存儲器管理機制的多面性：沒有那種存儲器管理機制是完全沒有用的，在適合的場合下，一種被認為最不合理的分配方案卻可能稱為最高效的分配方案。 一切都要從實際問題出發，進行設計。
為了解決固定分區分配方式的缺乏靈活性，出現了 動態分配方式 。動態分配方式採用一些 尋表（Eg： 空閑鏈表 ） 的方式，查找能符合程序需要的空閑內存分區。但代價是增加了系統運行的開銷，而且內存空閑表本身是一個文件，必然會佔用一部分寶貴的內存資源，而且有些演算法還會增加內存碎片。
可重定位分區分配通過對程序實現成定位，從而可以將內存塊進行搬移，將小塊拼成大塊，將小空閑「緊湊」成大空閑，騰出較大的內存以容納新的程序進程。
連續分配方式 會形成許多「碎片」，雖然可以通過「緊湊」方式將許多碎片拼接成可用的大塊空間，但須為之付出很大開銷。所以提出了「 離散分配方式 」的想法。如果 離散分配的基本單位是頁 ，則稱為 分頁管理方式 ；如果離散分配的基本單位是段，則稱為 分段管理方式 。
分頁存儲管理是將一個進程的邏輯地址空間分成若干個大小相等的片，稱為頁面或頁，並為各頁加以編號，從0開始，如第0頁、第1頁等。相應地，也把內存空間分成與頁面相同大小的若干個存儲塊，稱為(物理)塊或頁框(frame)，也同樣為它們加以編號，如0#塊、1#塊等等。在為進程分配內存時，以塊為單位將進程中的若干個頁分別裝入到多個可以不相鄰接的物理塊中。由於進程的最後一頁經常裝不滿一塊而形成了不可利用的碎片，稱之為「 頁內碎片 」。
在分頁系統中，允許將進程的各個頁離散地存儲在內存不同的物理塊中（所以能實現離散分配方式） ，但系統應能保證進程的正確運行，即能在內存中找到每個頁面所對應的物理塊。為此，系統又為每個進程建立了一張頁面映像表，簡稱 頁表 。在進程地址空間內的所有頁，依次在頁表中有一頁表項，其中記錄了相應頁在內存中對應的物理塊號。在配置了頁表後，進程執行時，通過查找該表，即可找到每頁在內存中的物理塊號。可見， 頁表的作用是實現從頁號到物理塊號的地址映射 。
為了能夠將用戶地址空間中的 邏輯地址，變換為內存空間中的物理地址 ，在系統中必須設置 地址變換機構 。地址變換任務是藉助於頁表來完成的。
頁表 的功能可由一組專門的寄存器來實現。由於寄存器成本較高，且大多數現代計算機的頁表又很大，使頁表項總數可達幾千甚至幾十萬個，顯然這些頁表項不可能都用寄存器來實現，因此，頁表大多駐留在內存中。因為一個進程可以通過它的PCB來時時保存自己的狀態，等到CPU要處理它的時候才將PCB交給寄存器，所以，系統中雖然可以運行多個進程，但也只需要一個頁表寄存器就可以了。
由於 頁表是存放在內存中 的，這使得 CPU在每存取一個數據時，都要兩次訪問內存 。為了提高地址變換速度，在地址變化機構中增設了一個 具有並行查詢能力的高速緩沖寄存器 ，又稱為「聯想寄存器」（Associative Lookaside Buffer）。
在單級頁表的基礎上，為了適應非常大的邏輯空間，出現了兩級和多級頁表，但是，他們的原理和單級頁表是一樣的，只不過為了適應地址變換層次的增加，需要在地址變換機構中增設外層的頁表寄存器。
分段存儲管理方式 的目的，主要是為了滿足用戶（程序員）在編程和使用上多方面的要求，其中有些要求是其他幾種存儲管理方式所難以滿足的。因此，這種存儲管理方式已成為當今所有存儲管理方式的基礎。
分段管理方式和分頁管理方式在實現思路上是很相似的，只不過他們的基本單位不同。分段有 段表 ，也有 地址變換機構 ，為了提高檢索速度，同樣增設 聯想寄存器（具有並行查詢能力的高速緩沖寄存器） 。所以有些具體細節在這個不再贅述。
分頁和分段的主要區別：
1、兩者相似之處：兩者 都採用離散分配方式，且都要通過地址映射機構來實現地址變換 。
2、兩者的不同之處：
（1）頁是信息的 物理單位 ，分頁是為實現離散分配方式，以消減內存的外零頭，提高內存的利用率。或者說，分頁僅僅是由於 系統管理的需要 而不是用戶的需要。段則是信息的 邏輯單位 ，它含有一組其意義相對完整的信息。 分段的目的是為了能更好地滿足用戶的需要 。
（2） 頁的大小固定 且由系統決定，而 段的長度卻不固定 。
（3）分頁的作業地址空間是 一維 的，即單一的線性地址空間；而分段的作業地址空間則是 二維 的。
前面所介紹的分頁和分段存儲管理方式都各有優缺點。 分頁系統能有效地 提高內存利用率 ，而分段系統則能很好地 滿足用戶需求 。 我們希望能夠把兩者的優點結合，於是出現了段頁式存儲管理方式。
段頁式系統的基本原理，是分段和分頁原理的結合，即 先將用戶程序分成若干個段，再把每個段分成若干個頁 ，並為每一個段賦予一個段名。在段頁式系統中，地址結構由段號、段內頁號和頁內地址三部分組成。
和前兩種存儲管理方式相同，段頁式存儲管理方式同樣需要增設聯想寄存器。
離散分配方式 基於將一個進程直接分散地分配到許多不相鄰的分區中的思想，分為分頁式存儲管理，分段式存儲管理和段頁式存儲管理. 分頁式存儲管理旨在提高內存利用率，滿足系統管理的需要，分段式存儲管理則旨在滿足用戶(程序員)的需要，在實現共享和保護方面優於分頁式存儲管理，而段頁式存儲管理則是將兩者結合起來，取長補短，即具有分段系統便於實現，可共享，易於保護，可動態鏈接等優點，又能像分頁系統那樣很好的解決外部碎片的問題，以及為各個分段可離散分配內存等問題，顯然是一種比較有效的存儲管理方式。
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❹ 操作系統頁式存儲管理的問題
邏輯頁面表示這是一個虛擬的儲存空間，一個邏輯頁面對應一個物理內存的頁框，這個頁框才是真正的物理存儲所在。
❺ 連續分配存儲管理方式
一、單一連續分配
最簡單的一種存儲管理方式，只能用於單用戶、單任務的操作系統中。
優點：易於管理。
缺點：對要求內存空間少的程序，造成內存浪費；程序全部裝入，很少使用的程序部分也佔用內存。
二、固定分區分配
把內存分為一些大小相等或不等的分區(partition)，每個應用進程佔用一個分區。操作系統佔用其中一個分區。支持多個程序並發執行，適用於多道程序系統和分時系統。最早的多道程序存儲管理方式。
缺點：內碎片（一個分區內的剩餘空間）造成浪費；劃分為幾個分區，便只允許幾道作業並發，分區總數固定，限制並發執行的程序數目。
三、動態分區分配
1、分區的大小不固定：在裝入程序時根據進程實際需要，動態分配內存空間，即——需要多少劃分多少。
2、空閑分區表項：從1項到n項：內存會從初始的一個大分區不斷被劃分、回收從而形成內存中的多個分區。
3、優點：並發進程數沒有固定數的限制，不產生內碎片。缺點：有外碎片（分區間無法利用的空間）
4、分區分配演算法
①首次適應演算法FF(first-fit)
空閑分區排序：以地址遞增的次序鏈接。
檢索：分配內存時，從鏈首開始順序查找直至找到一個大小能滿足要求的空閑分區；
分配：從該分區中劃出一塊作業要求大小的內存空間分配給請求者，餘下的空閑分區大小改變仍留在空閑鏈中。
若從頭到尾檢索不到滿足要求的分區則分配失敗
優點：優先利用內存低址部分，保留了高地址部分的大空閑區；
缺點：但低址部分不斷劃分，會產生較多小碎片；而且每次查找從低址部分開始，會逐漸增加查找開銷。
②循環首次適應演算法
空閑分區排序：按地址
檢索：從上次找到的空閑分區的下一個空閑分區開始查找，直到找到一個能滿足要求的空閑分區。為實現演算法，需要設置一個起始查尋指針並採用循環查找方式
分配：分出需要的大小
優點：空閑分區分布均勻，減少查找開銷
缺點：缺乏大的空閑分區
③最佳適應演算法
總是把能滿足要求、又是最小的空閑分區分配給作業，避免「大材小用」。
空閑分區排序：所有空閑分區按容量從小到大排序成空閑分區表或鏈。
檢索：從表或鏈的頭開始，找到的第一個滿足的就分配
分配：分出需要的大小
缺點：每次找到最合適大小的分區割下的空閑區也總是最小，會產生許多難以利用的小空閑區（外碎片）
④最差適應演算法/最壞匹配法
基本不留下小空閑分區，但會出現缺乏較大的空閑分區的情況。
⑤快速適應演算法
根據進程常用空間大小進行劃分，相同大小的串成一個鏈，需管理多個各種不同大小的分區的鏈表。進程需要時，從最接近大小需求的鏈中摘一個分區。
能快速找到合適分區，但鏈表信息會很多；實際上是空間換時間。
5、回收分區
(1)回收區（首址a）與一個分區f1末尾（首址b+大小）鄰接：將回收區與f1合並，修改f1的表項的分區大小
(2)回收區（首址a+大小）與一個分區f2的首址b鄰接：將回收區與f2合並，修改f2的表項的首址、分區大小
(3) （1）（2）兩種情況都有，則將回收區與前後兩個分區F1、F2鄰接：將三個分區合並，使用F1的表項和F1的首址，取消F2的表項，大小為三者之和
(4) 回收區沒有鄰接的分區：為回收區單獨建立新表項，填寫回收區的首址與大小，根據其首址插到空閑鏈中的適當位置
四、動態重定位分區分配——有緊湊功能的動態分區分配
動態重定位分區分配演算法與動態分區分配演算法基本相同，差別在於增加了緊湊的功能。
夥伴系統
分區大小有規定，且分區動態變化
1、無論已分配還是空閑分區，大小都為2的k此冪。若整個可分配空間大小為2m，則1≤k≤m.
2、隨著系統運行，內存被不斷劃分，形成若干不連續的空閑分區。對每一類具有相同大小的空閑分區設置一雙向鏈表，即會有k個鏈表，鏈表中的分區大小都是2m。
3、進程申請n個大小的空間時，計算n= 2i。則找i對應的鏈表。若i大小的鏈表沒有，則找i+1的鏈表。找到的分區對半劃分後，一半用於分配，一半鏈接到較小一級的鏈表裡去。
4、一次分配和回收都可能對應多次的劃分和合並。
五、內存空間管理之對換
當內存空間還是滿足不了需求時，把內存中暫時不能運行、或暫時不用的程序和數據調到外存上，以騰出足夠的內存；把已具備運行條件的進程和進程所需要的程序和數據，調入內存。
整體對換(或進程對換)：以整個進程為單位（連續分配）
頁面對換或分段對換：以頁或段為單位（離散分配）
❻ 操作系統頁式存儲管理的問題
存儲管理的基本原理內存管理方法
內存管理主要包括內存分配和回收、地址變換、內存擴充、內存共享和保護等功能。
下面主要介紹連續分配存儲管理、覆蓋與交換技術以及頁式與段式存儲管理等基本概念和原理。
1． 連續分配存儲管理方式
連續分配是指為一個用戶程序分配連續的內存空間。連續分配有單一連續存儲管理和分區式儲管理兩種方式。
(1)單一連續存儲管理
在這種管理方式中，內存被分為兩個區域：系統區和用戶區。應用程序裝入到用戶區，可使用用戶區全部空間。其特點是，最簡單，適用於單用戶、單任務的操作系統。CP／M和DOS 2．0以下就是採用此種方式。這種方式的最大優點就是易於管理。但也存在著一些問題和不足之處，例如對要求內存空間少的程序，造成內存浪費；程序全部裝入，使得很少使用的程序部分也佔用—定數量的內存。
(2)分區式存儲管理
為了支持多道程序系統和分時系統，支持多個程序並發執行，引入了分區式存儲管理。分區式存儲管理是把內存分為一些大小相等或不等的分區，操作系統佔用其中一個分區，其餘的分區由應用程序使用，每個應用程序佔用一個或幾個分區。分區式存儲管理雖然可以支持並發，但難以進行內存分區的共享。
分區式存儲管理引人了兩個新的問題：內碎片和外碎片。前者是佔用分區內未被利用的空間，後者是佔用分區之間難以利用的空閑分區(通常是小空閑分區)。為實現分區式存儲管理，操作系統應維護的數據結構為分區表或分區鏈表。表中各表項一般包括每個分區的起始地址、大小及狀態(是否已分配)。
分區式存儲管理常採用的一項技術就是內存緊縮(compaction)：將各個佔用分區向內存一端移動，然後將各個空閑分區合並成為一個空閑分區。這種技術在提供了某種程度上的靈活性的同時，也存在著一些弊端，例如：對佔用分區進行內存數據搬移佔用CPU~t寸間；如果對佔用分區中的程序進行「浮動」，則其重定位需要硬體支持。
1)固定分區(nxedpartitioning)。
固定式分區的特點是把內存劃分為若干個固定大小的連續分區。分區大小可以相等：這種作法只適合於多個相同程序的並發執行(處理多個類型相同的對象)。分區大小也可以不等：有多個小分區、適量的中等分區以及少量的大分區。根據程序的大小，分配當前空閑的、適當大小的分區。這種技術的優點在於，易於實現，開銷小。缺點主要有兩個：內碎片造成浪費；分區總數固定，限制了並發執行的程序數目。
2)動態分區(dynamic partitioning)。
動態分區的特點是動態創建分區：在裝入程序時按其初始要求分配，或在其執行過程中通過系統調用進行分配或改變分區大小。與固定分區相比較其優點是：沒有內碎片。但它卻引入了另一種碎片——外碎片。動態分區的分區分配就是尋找某個空閑分區，其大小需大於或等於程序的要求。若是大於要求，則將該分區分割成兩個分區，其中一個分區為要求的大小並標記為「佔用」，而另一個分區為餘下部分並標記為「空閑」。分區分配的先後次序通常是從內存低端到高端。動態分區的分區釋放過程中有一個要注意的問題是，將相鄰的空閑分區合並成一個大的空閑分區。
下面列出了幾種常用的分區分配演算法：
首先適配法(nrst-fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到符合要求的第一個分區進行分配。該演算法的分配和釋放的時間性能較好，較大的空閑分區可以被保留在內存高端。但隨著低端分區不斷劃分會產生較多小分區，每次分配時查找時間開銷便會增大。
下次適配法(next-fit)：按分區在內存的先後次序，從上次分配的分區起查找(到最後{區時再從頭開始}，找到符合要求的第一個分區進行分配。該演算法的分配和釋放的時間性能較好，使空閑分區分布得更均勻，但較大空閑分區不易保留。
最佳適配法(best-fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到其大小與要求相差最小的空閑分區進行分配。從個別來看，外碎片較小；但從整體來看，會形成較多外碎片優點是較大的空閑分區可以被保留。
最壞適配法(worst- fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到最大的空閑分區進行分配。基本不留下小空閑分區，不易形成外碎片。但由於較大的空閑分區不被保留，當對內存需求較大的進程需要運行時，其要求不易被滿足。
2．覆蓋和交換技術
引入覆蓋(overlay)技術的目標是在較小的可用內存中運行較大的程序。這種技術常用於多道程序系統之中，與分區式存儲管理配合使用。覆蓋技術的原理很簡單，一個程序的幾個代碼段或數據段，按照時間先後來佔用公共的內存空間。將程序必要部分(常用功能)的代碼和數據常駐內存；可選部分(不常用功能)平時存放在外存(覆蓋文件)中，在需要時才裝入內存。不存在調用關系的模塊不必同時裝入到內存，從而可以相互覆蓋。覆蓋技術的缺點是編程時必須劃分程序模塊和確定程序模塊之間的覆蓋關系，增加編程復雜度；從外存裝入覆蓋文件，以時間延長換取空間節省。覆蓋的實現方式有兩種：以函數庫方式實現或操作系統支持。
交換(swapping)技術在多個程序並發執行時，可以將暫時不能執行的程序送到外存中，從而獲得空閑內存空間來裝入新程序，或讀人保存在外存中而處於就緒狀態的程序。交換單位為整個進程的地址空間。交換技術常用於多道程序系統或小型分時系統中，與分區式存儲管理配合使用又稱作「對換」或「滾進／滾出」(roll-in／roll-out)。其優點之一是增加並發運行的程序數目，並給用戶提供適當的響應時間；與覆蓋技術相比交換技術另一個顯著的優點是不影響程序結構。交換技術本身也存在著不足，例如：對換人和換出的控制增加處理器開銷；程序整個地址空間都進行對換，沒有考慮執行過程中地址訪問的統計特性。
3．頁式和段式存儲管理
在前面的幾種存儲管理方法中，為進程分配的空間是連續的，使用的地址都是物理地址。如果允許將一個進程分散到許多不連續的空間，就可以避免內存緊縮，減少碎片。基於這一思想，通過引入進程的邏輯地址，把進程地址空間與實際存儲空間分離，增加存儲管理的靈活性。地址空間和存儲空間兩個基本概念的定義如下：
地址空間：將源程序經過編譯後得到的目標程序，存在於它所限定的地址范圍內，這個范圍稱為地址空間。地址空間是邏輯地址的集合。
存儲空間：指主存中一系列存儲信息的物理單元的集合，這些單元的編號稱為物理地址存儲空間是物理地址的集合。
根據分配時所採用的基本單位不同，可將離散分配的管理方式分為以下三種
段式存儲管理和段頁式存儲管理。其中段頁式存儲管理是前兩種結合的產物。
(1)頁式存儲管理
1)基本原理。將程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(page)，而物理內存劃分為同樣大小的頁框(pageframe)。程序載入時，可將任意一頁放人內存中任意一個頁框，這些頁框不必連續，從而實現了離散分配。該方法需要CPU的硬體支持，來實現邏輯地址和物理地址之間的映射。在頁式存儲管理方式中地址結構由兩部構成，前一部分是頁號，後一部分為頁內地址，如圖4-2所示。
這種管理方式的優點是，沒有外碎片，每個內碎片不超過頁大比前面所討論的幾種管理方式的最大進步是，一個程序不必連續存放。這樣就便於改變程序佔用空間的大小(主要指隨著程序運行，動態生成的數據增多，所要求的地址空間相應增長)。缺點是仍舊要求程序全部裝入內存，沒有足夠的內存，程序就不能執行。
2)頁式管理的數據結構。在頁式系統中進程建立時，操作系統為進程中所有的頁分配頁框。當進程撤銷時收回所有分配給它的頁框。在程序的運行期間，如果允許進程動態地申請空間，操作系統還要為進程申請的空間分配物理頁框。操作系統為了完成這些功能，必須記錄系統內存中
實際的頁框使用情況。操作系統還要在進程切換時，正確地切換兩個不同的進程地址空間到物理內存空間的映射。這就要求操作系統要記錄每個進程頁表的相關信息。為了完成上述的功能，—個頁式系統中，一般要採用如下的數據結構。
進程頁表：完成邏輯頁號(本進程的地址空間)到物理頁面號(實際內存空間)的映射。
每個進程有一個頁表，描述該進程佔用的物理頁面及邏輯排列順序。
物理頁面表：整個系統有一個物理頁面表，描述物理內存空間的分配使用狀況，其數據結構可採用位示圖和空閑頁鏈表。
請求表：整個系統有一個請求表，描述系統內各個進程頁表的位置和大小，用於地址轉換也可以結合到各進程的PCB(進程式控制制塊)里。
3）頁式管理地址變換
在頁式系統中，指令所給出的地址分為兩部分：邏輯頁號和頁內地址。CPU中的內存管理單元(MMU)按邏輯頁號通過查進程頁表得到物理頁框號，將物理頁框號與頁內地址相加形成物理地址(見圖4-3)。上述過程通常由處理器的硬體直接完成，不需要軟體參與。通常，操作系統只需在進程切換時，把進程頁表的首地址裝入處理器特定的寄存器中即可。一般來說，頁表存儲在主存之中。這樣處理器每訪問一個在內存中的操作數，就要訪問兩次內存。第一次用來查找頁表將操作數的邏輯地址變換為物理地址；第二次完成真正的讀寫操作。這樣做時間上耗費嚴重。為縮短查找時間，可以將頁表從內存裝入CPU內部的關聯存儲器(例如，快表)中，實現按內容查找。此時的地址變換過程是：在CPU給出有效地址後，由地址變換機構自動將頁號送人快表，並將此頁號與快表中的所有頁號進行比較，而且這種比較是同時進行的。若其中有與此相匹配的頁號，表示要訪問的頁的頁表項在快表中。於是可直接讀出該頁所對應的物理頁號，這樣就無需訪問內存中的頁表。由於關聯存儲器的訪問速度比內存的訪問速度快得多。
(2)段式存儲管理
1)基本原理。
在段式存儲管理中，將程序的地址空間劃分為若干個段(segment)，這樣每個進程有一個二維的地址空間。在前面所介紹的動態分區分配方式中，系統為整個進程分配一個連續的內存空間。而在段式存儲管理系統中，則為每個段分配一個連續的分區，而進程中的各個段可以不連續地存放在內存的不同分區中。程序載入時，操作系統為所有段分配其所需內存，這些段不必連續，物理內存的管理採用動態分區的管理方法。在為某個段分配物理內存時，可以採用首先適配法、下次適配法、最佳適配法等方法。在回收某個段所佔用的空間時，要注意將收回的空間與其相鄰的空間合並。段式存儲管理也需要硬體支持，實現邏輯地址到物理地址的映射。程序通過分段劃分為多個模塊，如代碼段、數據段、共享段。這樣做的優點是：可以分別編寫和編譯源程序的一個文件，並且可以針對不同類型的段採取不同的保護，也可以按段為單位來進行共享。總的來說，段式存儲管理的優點是：沒有內碎片，外碎片可以通過內存緊縮來消除；便於實現內存共享。缺點與頁式存儲管理的缺點相同，進程必須全部裝入內存。
2)段式管理的數據結構。
為了實現段式管理，操作系統需要如下的數據結構來實現進程的地址空間到物理內存空間的映射，並跟蹤物理內存的使用情況，以便在裝入新的段的時候，合理地分配內存空間。
·進程段表：描述組成進程地址空間的各段，可以是指向系統段表中表項的索引。每段有段基址(baseaddress)。
·系統段表：系統所有佔用段。
·空閑段表：內存中所有空閑段，可以結合到系統段表中。
3)段式管理的地址變換。
在段式管理系統中，整個進程的地址空間是二維的，即其邏輯地址由段號和段內地址兩部分組成。為了完成進程邏輯地址到物理地址的映射，處理器會查找內存中的段表，由段號得到段的首地址，加上段內地址，得到實際的物理地址(見圖4—4)。這個過程也是由處理器的硬體直接完成的，操作系統只需在進程切換時，將進程段表的首地址裝入處理器的特定寄存器當中。這個寄存器一般被稱作段表地址寄存器。
4．頁式和段式系統的區別
頁式和段式系統有許多相似之處。比如，兩者都採用離散分配方式，且都通過地址映射機構來實現地址變換。但概念上兩者也有很多區別，主要表現在：
·頁是信息的物理單位，分頁是為了實現離散分配方式，以減少內存的外零頭，提高內存的利用率。或者說，分頁僅僅是由於系統管理的需要，而不是用戶的需要。段是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的信息。分段的目的是為了更好地滿足用戶的需要。
·頁的大小固定且由系統決定，把邏輯地址劃分為頁號和頁內地址兩部分，是由機器硬體實現的。段的長度不固定，且決定於用戶所編寫的程序，通常由編譯系統在對源程序進行編譯時根據信息的性質來劃分。
·頁式系統地址空間是一維的，即單一的線性地址空間，程序員只需利用一個標識符，即可表示一個地址。分段的作業地址空間是二維的，程序員在標識一個地址時，既需給出段名，又需給出段內地址。
原理作業10. 頁式存儲管理和段式存儲管理的工作原理特點、特點
及優劣。
答：頁式管理的基本思想是：為了更好地利用分區存儲管理中
所產生的"零頭"問題，允許把一個作業存放在不連續的內存塊中，
又可以連續運行，它允許只調入用戶作業中常用部分，不常用部分
不長期駐留內存，有效提高了內存的利用率。
頁式存儲管理的工作原理：
A、劃分實頁：將物理內存劃分成位置固定、大小相同的"塊"（實頁
面）。
B、劃分虛頁：將用戶邏輯地址空間也分成同樣大小的頁面，成為虛
擬空間的虛頁面。
C、建立頁表：有時稱為頁面表或頁面映射表（PMT）。每個作業一
張，按虛頁號進行登記，其基本的內容有特徵位（表示該頁是否
在內存、實頁號以及對應外存的地址。
D、地址變換：將虛頁面的邏輯地址轉化為實頁面的物理地址，在程
序執行時改變為物理地址，屬於作業的動態重定位，一般由地址
轉換機構（硬體）完成。
特點：
允許一個作業存放在不連續的內存塊中而又能保證作業連續得以運行
，既不需要移動內存中的信息，又可較好地解決零頭。
優點：
a、不要求作業存放在連續的內存塊中，有效地解決零頭。
b、允許用戶作業不是一次集中裝入內存而是根據需要調入，作業中
不常用部分不長期駐留內存，而本次運行的不用部分根本就不裝
入內存。
c、提供了虛存，使用戶作業地址空間不再受內存可用空間大小的限
制。
缺點：
a、頁式管理在內存的共享和保護方面還欠完善。
b、頁面大小相同，位置不能動態增加。
c、往往需要多次缺頁中斷才能把所需的信息完整地調入內存。
段式存儲管理的基本思想是：把程序按內容或過程（函數）關系
分成段，每段有自己的名字。一個用戶作業或進程所包含的段對應於
一個二維線性虛擬空間，也就是一個二維虛擬存儲器。段式管理程序
以段為單位分配內存，然後通過地址映射機構把段式虛擬存儲地址轉
化為內存中的實際地址。和頁式管理一樣，段式管理也採用只把那些
經常訪問的段駐留內存，而把那些在將來一段時間內不被訪問的段放
在外存，待需要時自動調入內存的方法實現二維虛擬存儲器。按照作
業的邏輯單位--段，來分配內存，適合程序的邏輯結構，方便用戶設
計程序。
段式存儲管理的工作原理：
A、採用二維地址空間，如段號（S）、頁號（P）和頁內單元號（D）；
B、系統建兩張表格每一作業一張段表，每一段建立一張頁表，段表
指出該段的頁表在內存中的位置；
C、地址變換機構類似頁式機制，只是前面增加一項段號。
特點：
a、每一段分成若干頁，再按頁式管理，頁間不要求連續；
b、用分段方法分配管理作業，用分頁方法分配管理內存；
優點：
便於段的共享和保護、段的動態增長以及動態連接。
缺點：
為了消除零頭和允許段的動態增長，需要花費CPU的大量時間在內存
中移動作業的分段，而且段的大小也給外存管理帶來困難。
❼ Linux存儲管理方式
這種方式中，將用戶程序的地址空間，注意，是 用戶程序的地址空間 分為若干個固定大小的區域，成為「頁」或「頁面」。我們可以知道，這也頁其實是不存在的，只是一種劃分內存空間的方法。也就是說，這種方式將用戶的程序 「肢解」 了，分成很多個小的部分，每個部分稱為一個「頁」。
將邏輯地址的前n位作為頁號，後面32-n位作為頁內偏移量。
由於進程的最後一頁經常裝不滿一個塊，從而形成了不可利用的碎片，稱之為 「頁內碎片」 。
作用：實現頁號到物理號的地址映射。
頁表是記錄邏輯空間（虛擬內存）中每一頁在內存中對應的物理塊號。但並非每一頁邏輯空間都會實際對應著一個物理塊，只有實際駐留在物理內存空間中的頁才會對應著物理塊。
系統會為每一個進程建立一張頁表，頁表是需要一直駐留在物理內存中的（多級頁表除外），另外頁表的起址和長度存放在 PCB（Process Control Block）進程式控制制結構體中。
可以在頁表的表項中設置相關的許可權控制欄位，例如設置存取控制欄位，用於保護該存儲塊的讀寫；若存取控制欄位為2位，則可以設置讀/寫、只讀和只執行等存取方式。
物理塊是實實在在存在於內存中的：
由於執行頻率高，要求效率比較高，需要使用硬體實現。
在系統中設置一個 頁表寄存器(PTR) ,其中存放頁表在內存的起始地址和頁表的長度。平時進程未執行的時候，頁表的起始地址和頁表長度放在本進程的PCB中。當調度程序調度到某個進程的時候，才將這兩個數據裝入 頁表寄存器 。
變換過程：
快表的變換機構
為了提高地址變換速度，可在地址變換機構中增設一個具有並行查詢能力的特殊高速緩沖寄存器，又稱為"聯想寄存器"或者「快表」。俗稱TLB。
快表與頁表的功能類似，其實就是將一部分頁表存到 CPU 內部的高速緩沖存儲器 Cache。CPU 定址時先到快表查詢相應的頁表項形成物理地址，如果查詢不到，則到內存中查詢，並將對應頁表項調入到快表中。但，如果快表的存儲空間已滿，則需要通過演算法找到一個暫時不再需要的頁表項，將它換出內存。
由於成本的關系，快表不可能做得很大，通常只存放 16~512 個頁表項，這對中、小型作業來說，已有可能把全部頁表項放在快表中；但對於大型作業而言，則只能將其一部分頁表項放入其中。由於對程序和數據的訪問往往帶有局限性，因此，據統計，從快表中能找到所需頁表項的概率可達 90% 以上。這樣，由於增加了地址變換機構而造成的速度損失可減少到 10% 以下，達到了可接受的程度。
我們可以採用這樣兩個方法來解決這一問題：
① 對於頁表所需的內存空間，可採用離散分配方式，以解決難以找到一塊連續的大內存空間的問題；
② 只將當前需要的部分頁表項調入內存，其餘的頁表項仍駐留在磁碟上，需要時再調入。
二級頁表的頁表項：
過程：
在採用兩級頁表結構的情況下，對於正在運行的進程，必須將其外層頁表調入內存，而對於內頁表則只需調入一頁或幾頁。為了表徵某頁的頁表是否已經調入內存，還應在外層頁表項中增設一個狀態位 S，其值若為 0，表示該頁表分頁不在內存中，否則說明其分頁已調入內存。進程運行時，地址變換機構根據邏輯地址中的 P1去查找外層頁表；若所找到的頁表項中的狀態位為 0，則產生一個中斷信號，請求 OS 將該頁表分頁調入內存。
多級頁表和二級頁表類似。多級頁表和二級頁表是為了節省物理內存空間。使得頁表可以在內存中離散存儲。（單級頁表為了隨機訪問必須連續存儲，如果虛擬內存空間很大，就需要很多頁表項，就需要很大的連續內存空間，但是多級頁表不需要。）
為什麼引入分段存儲管理？
引入效果：
它將用戶程序的地址空間分為若干個大小不同的的段，每個段可以定義一組完整的信息。
段號表示段名，每個段都從0開始編址，並且採用一段連續的地址空間。
在該地址結構中，允許一個作業最長有64K個段，每個段的最大長度為64KB。
在分段式存儲管理系統中，為每一個分段分配一個連續的分區。進程的各個段，可以離散地裝入內存中不同的分區中。
作用：實現從邏輯地址到物理內存區的映射。
為了保證程序能夠正常運行，就必須能夠從物理內存中找出每個邏輯段所對應的位置。為此在系統中會為每一個進程建立一張 段表 。每個段在表中有一個表項，其中記錄了該段在內存中的起始地址和段的長度。一般將段表保存在內存中。
在配置了段表之後，執行的過程可以通過查找段表，找到每一個段所對應的內存區。
為了實現進程從邏輯地址到物理地址的變換功能，在系統設置了段表寄存器，用於存放段表的起始地址和段表長度TL。
在進行地址變換時，系統將邏輯地址中的段號與段表長度TL 進行比較。若 S > TL，表示段號太大，是訪問越界，於是產生越界中斷信號。若未越界，則根據段表的始址和該段的段號，計算出該段對應段表項的位置，從中讀出該段在內存的起始地址。然後，再檢查段內地址 d 是否超過該段的段長 SL。若超過，即 d>SL，同樣發出越界中斷信號。若未越界，則將該段的基址 d 與段內地址相加，即可得到要訪問的內存。
分頁和分段系統相似之處：兩者都採用離散分配方式，且都是通過地址映射機構實現地址變換。
但在概念上兩者完全不同，主要表現在下述三個方面：
分頁系統以頁面作為內存分配的基本單位，能有效地提高內存利用率，而分段系統以段作為內存分配的基本單位，它能夠更好地滿足用戶多方面的需要。
段頁式地址結構由段號、段內頁號及頁內地址三部分所組成
段頁式系統的基本原理是分段和分頁原理的結合，即先將用戶程序分成若干個段，再把每個段分成若干個頁，並為每一個段賦予一個段名。如下圖展示了一個作業地址空間的結構。該作業有三個段：主程序段、子程序段和數據段；頁面大小為 4 KB：
在段頁式系統中，為了實現從邏輯地址到物理地址的變換，系統中需要同時配置段表和頁表。段表的內容與分段系統略有不同，它不再是內存始址和段長，而是頁表始址和頁表長度。下圖展示出了利用段表和頁表進行從用戶地址空間到物理(內存)空間的映射。
在段頁式系統中，為了便於實現地址變換，須配置一個段表寄存器，其中存放段表始址和段長 TL。進行地址變換時，首先利用段號 S，將它與段長 TL 進行比較。若 S < TL，表示未越界，於是利用段表始址和段號來求出該段所對應的段表項在段表中的位置，從中得到該段的頁表始址，並利用邏輯地址中的段內頁號 P 來獲得對應頁的頁表項位置，從中讀出該貝所在的物理塊號 b，再利用塊號 b 和頁內地址來構成物理地址。
在段頁式系統中，為了獲得一條指令或數據，須三次訪問內存。第一次訪問是訪問內存中的段表，從中取得頁表始址；第二次訪問是訪問內存中的頁表，從中取出該頁所在的物理塊號，並將該塊號與頁內地址一起形成指令或數據的物理地址；第三次訪問才是真正從第二次訪問所得的地址中取出指令或數據。
顯然，這使訪問內存的次數增加了近兩倍。為了提高執行速度，在地址變換機構中增設一個高速緩沖寄存器。每次訪問它時，都須同時利用段號和頁號去檢索高速緩存，若找到匹配的表項，便可從中得到相應頁的物理塊號，用來與頁內地址一起形成物理地址：若未找到匹配表項，則仍需第三次訪問內存。
參考鏈接：
❽ 在基本段式存儲管理系統中，邏輯地址由什麼構成
存儲管理的基本原理內存管理方法
內存管理主要包括內存分配和回收、地址變換、內存擴充、內存共享和保護等功能。
下面主要介紹連續分配存儲管理、覆蓋與交換技術以及頁式與段式存儲管理等基本概念和原理。
1． 連續分配存儲管理方式
連續分配是指為一個用戶程序分配連續的內存空間。連續分配有單一連續存儲管理和分區式儲管理兩種方式。
(1)單一連續存儲管理
在這種管理方式中，內存被分為兩個區域：系統區和用戶區。應用程序裝入到用戶區，可使用用戶區全部空間。其特點是，最簡單，適用於單用戶、單任務的操作系統。CP／M和dos 2．0以下就是採用此種方式。這種方式的最大優點就是易於管理。但也存在著一些問題和不足之處，例如對要求內存空間少的程序，造成內存浪費；程序全部裝入，使得很少使用的程序部分也佔用—定數量的內存。
(2)分區式存儲管理
為了支持多道程序系統和分時系統，支持多個程序並發執行，引入了分區式存儲管理。分區式存儲管理是把內存分為一些大小相等或不等的分區，操作系統佔用其中一個分區，其餘的分區由應用程序使用，每個應用程序佔用一個或幾個分區。分區式存儲管理雖然可以支持並發，但難以進行內存分區的共享。
分區式存儲管理引人了兩個新的問題：內碎片和外碎片。前者是佔用分區內未被利用的空間，後者是佔用分區之間難以利用的空閑分區(通常是小空閑分區)。為實現分區式存儲管理，操作系統應維護的數據結構為分區表或分區鏈表。表中各表項一般包括每個分區的起始地址、大小及狀態(是否已分配)。
分區式存儲管理常採用的一項技術就是內存緊縮(compaction)：將各個佔用分區向內存一端移動，然後將各個空閑分區合並成為一個空閑分區。這種技術在提供了某種程度上的靈活性的同時，也存在著一些弊端，例如：對佔用分區進行內存數據搬移佔用cpu~t寸間；如果對佔用分區中的程序進行「浮動」，則其重定位需要硬體支持。
1)固定分區(nxedpartitioning)。
固定式分區的特點是把內存劃分為若干個固定大小的連續分區。分區大小可以相等：這種作法只適合於多個相同程序的並發執行(處理多個類型相同的對象)。分區大小也可以不等：有多個小分區、適量的中等分區以及少量的大分區。根據程序的大小，分配當前空閑的、適當大小的分區。這種技術的優點在於，易於實現，開銷小。缺點主要有兩個：內碎片造成浪費；分區總數固定，限制了並發執行的程序數目。
2)動態分區(dynamic partitioning)。
動態分區的特點是動態創建分區：在裝入程序時按其初始要求分配，或在其執行過程中通過系統調用進行分配或改變分區大小。與固定分區相比較其優點是：沒有內碎片。但它卻引入了另一種碎片——外碎片。動態分區的分區分配就是尋找某個空閑分區，其大小需大於或等於程序的要求。若是大於要求，則將該分區分割成兩個分區，其中一個分區為要求的大小並標記為「佔用」，而另一個分區為餘下部分並標記為「空閑」。分區分配的先後次序通常是從內存低端到高端。動態分區的分區釋放過程中有一個要注意的問題是，將相鄰的空閑分區合並成一個大的空閑分區。
下面列出了幾種常用的分區分配演算法：
首先適配法(nrst-fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到符合要求的第一個分區進行分配。該演算法的分配和釋放的時間性能較好，較大的空閑分區可以被保留在內存高端。但隨著低端分區不斷劃分會產生較多小分區，每次分配時查找時間開銷便會增大。
下次適配法(next-fit)：按分區在內存的先後次序，從上次分配的分區起查找(到最後{區時再從頭開始}，找到符合要求的第一個分區進行分配。該演算法的分配和釋放的時間性能較好，使空閑分區分布得更均勻，但較大空閑分區不易保留。
最佳適配法(best-fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到其大小與要求相差最小的空閑分區進行分配。從個別來看，外碎片較小；但從整體來看，會形成較多外碎片優點是較大的空閑分區可以被保留。
最壞適配法(worst- fit)：按分區在內存的先後次序從頭查找，找到最大的空閑分區進行分配。基本不留下小空閑分區，不易形成外碎片。但由於較大的空閑分區不被保留，當對內存需求較大的進程需要運行時，其要求不易被滿足。
2．覆蓋和交換技術
引入覆蓋(overlay)技術的目標是在較小的可用內存中運行較大的程序。這種技術常用於多道程序系統之中，與分區式存儲管理配合使用。覆蓋技術的原理很簡單，一個程序的幾個代碼段或數據段，按照時間先後來佔用公共的內存空間。將程序必要部分(常用功能)的代碼和數據常駐內存；可選部分(不常用功能)平時存放在外存(覆蓋文件)中，在需要時才裝入內存。不存在調用關系的模塊不必同時裝入到內存，從而可以相互覆蓋。覆蓋技術的缺點是編程時必須劃分程序模塊和確定程序模塊之間的覆蓋關系，增加編程復雜度；從外存裝入覆蓋文件，以時間延長換取空間節省。覆蓋的實現方式有兩種：以函數庫方式實現或操作系統支持。
交換(swapping)技術在多個程序並發執行時，可以將暫時不能執行的程序送到外存中，從而獲得空閑內存空間來裝入新程序，或讀人保存在外存中而處於就緒狀態的程序。交換單位為整個進程的地址空間。交換技術常用於多道程序系統或小型分時系統中，與分區式存儲管理配合使用又稱作「對換」或「滾進／滾出」(roll-in／roll-out)。其優點之一是增加並發運行的程序數目，並給用戶提供適當的響應時間；與覆蓋技術相比交換技術另一個顯著的優點是不影響程序結構。交換技術本身也存在著不足，例如：對換人和換出的控制增加處理器開銷；程序整個地址空間都進行對換，沒有考慮執行過程中地址訪問的統計特性。
3．頁式和段式存儲管理
在前面的幾種存儲管理方法中，為進程分配的空間是連續的，使用的地址都是物理地址。如果允許將一個進程分散到許多不連續的空間，就可以避免內存緊縮，減少碎片。基於這一思想，通過引入進程的邏輯地址，把進程地址空間與實際存儲空間分離，增加存儲管理的靈活性。地址空間和存儲空間兩個基本概念的定義如下：
地址空間：將源程序經過編譯後得到的目標程序，存在於它所限定的地址范圍內，這個范圍稱為地址空間。地址空間是邏輯地址的集合。
存儲空間：指主存中一系列存儲信息的物理單元的集合，這些單元的編號稱為物理地址存儲空間是物理地址的集合。
根據分配時所採用的基本單位不同，可將離散分配的管理方式分為以下三種
段式存儲管理和段頁式存儲管理。其中段頁式存儲管理是前兩種結合的產物。
(1)頁式存儲管理
1)基本原理。將程序的邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(page)，而物理內存劃分為同樣大小的頁框(pageframe)。程序載入時，可將任意一頁放人內存中任意一個頁框，這些頁框不必連續，從而實現了離散分配。該方法需要cpu的硬體支持，來實現邏輯地址和物理地址之間的映射。在頁式存儲管理方式中地址結構由兩部構成，前一部分是頁號，後一部分為頁內地址，如圖4-2所示。
這種管理方式的優點是，沒有外碎片，每個內碎片不超過頁大比前面所討論的幾種管理方式的最大進步是，一個程序不必連續存放。這樣就便於改變程序佔用空間的大小(主要指隨著程序運行，動態生成的數據增多，所要求的地址空間相應增長)。缺點是仍舊要求程序全部裝入內存，沒有足夠的內存，程序就不能執行。
2)頁式管理的數據結構。在頁式系統中進程建立時，操作系統為進程中所有的頁分配頁框。當進程撤銷時收回所有分配給它的頁框。在程序的運行期間，如果允許進程動態地申請空間，操作系統還要為進程申請的空間分配物理頁框。操作系統為了完成這些功能，必須記錄系統內存中
實際的頁框使用情況。操作系統還要在進程切換時，正確地切換兩個不同的進程地址空間到物理內存空間的映射。這就要求操作系統要記錄每個進程頁表的相關信息。為了完成上述的功能，—個頁式系統中，一般要採用如下的數據結構。
進程頁表：完成邏輯頁號(本進程的地址空間)到物理頁面號(實際內存空間)的映射。
每個進程有一個頁表，描述該進程佔用的物理頁面及邏輯排列順序。
物理頁面表：整個系統有一個物理頁面表，描述物理內存空間的分配使用狀況，其數據結構可採用位示圖和空閑頁鏈表。
請求表：整個系統有一個請求表，描述系統內各個進程頁表的位置和大小，用於地址轉換也可以結合到各進程的pcb(進程式控制制塊)里。
3）頁式管理地址變換
在頁式系統中，指令所給出的地址分為兩部分：邏輯頁號和頁內地址。cpu中的內存管理單元(mmu)按邏輯頁號通過查進程頁表得到物理頁框號，將物理頁框號與頁內地址相加形成物理地址(見圖4-3)。上述過程通常由處理器的硬體直接完成，不需要軟體參與。通常，操作系統只需在進程切換時，把進程頁表的首地址裝入處理器特定的寄存器中即可。一般來說，頁表存儲在主存之中。這樣處理器每訪問一個在內存中的操作數，就要訪問兩次內存。第一次用來查找頁表將操作數的邏輯地址變換為物理地址；第二次完成真正的讀寫操作。這樣做時間上耗費嚴重。為縮短查找時間，可以將頁表從內存裝入cpu內部的關聯存儲器(例如，快表)中，實現按內容查找。此時的地址變換過程是：在cpu給出有效地址後，由地址變換機構自動將頁號送人快表，並將此頁號與快表中的所有頁號進行比較，而且這種比較是同時進行的。若其中有與此相匹配的頁號，表示要訪問的頁的頁表項在快表中。於是可直接讀出該頁所對應的物理頁號，這樣就無需訪問內存中的頁表。由於關聯存儲器的訪問速度比內存的訪問速度快得多。
(2)段式存儲管理
1)基本原理。
在段式存儲管理中，將程序的地址空間劃分為若干個段(segment)，這樣每個進程有一個二維的地址空間。在前面所介紹的動態分區分配方式中，系統為整個進程分配一個連續的內存空間。而在段式存儲管理系統中，則為每個段分配一個連續的分區，而進程中的各個段可以不連續地存放在內存的不同分區中。程序載入時，操作系統為所有段分配其所需內存，這些段不必連續，物理內存的管理採用動態分區的管理方法。在為某個段分配物理內存時，可以採用首先適配法、下次適配法、最佳適配法等方法。在回收某個段所佔用的空間時，要注意將收回的空間與其相鄰的空間合並。段式存儲管理也需要硬體支持，實現邏輯地址到物理地址的映射。程序通過分段劃分為多個模塊，如代碼段、數據段、共享段。這樣做的優點是：可以分別編寫和編譯源程序的一個文件，並且可以針對不同類型的段採取不同的保護，也可以按段為單位來進行共享。總的來說，段式存儲管理的優點是：沒有內碎片，外碎片可以通過內存緊縮來消除；便於實現內存共享。缺點與頁式存儲管理的缺點相同，進程必須全部裝入內存。
2)段式管理的數據結構。
為了實現段式管理，操作系統需要如下的數據結構來實現進程的地址空間到物理內存空間的映射，並跟蹤物理內存的使用情況，以便在裝入新的段的時候，合理地分配內存空間。
·進程段表：描述組成進程地址空間的各段，可以是指向系統段表中表項的索引。每段有段基址(baseaddress)。
·系統段表：系統所有佔用段。
·空閑段表：內存中所有空閑段，可以結合到系統段表中。
3)段式管理的地址變換。
在段式管理系統中，整個進程的地址空間是二維的，即其邏輯地址由段號和段內地址兩部分組成。為了完成進程邏輯地址到物理地址的映射，處理器會查找內存中的段表，由段號得到段的首地址，加上段內地址，得到實際的物理地址(見圖4—4)。這個過程也是由處理器的硬體直接完成的，操作系統只需在進程切換時，將進程段表的首地址裝入處理器的特定寄存器當中。這個寄存器一般被稱作段表地址寄存器。
4．頁式和段式系統的區別
頁式和段式系統有許多相似之處。比如，兩者都採用離散分配方式，且都通過地址映射機構來實現地址變換。但概念上兩者也有很多區別，主要表現在：
·頁是信息的物理單位，分頁是為了實現離散分配方式，以減少內存的外零頭，提高內存的利用率。或者說，分頁僅僅是由於系統管理的需要，而不是用戶的需要。段是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的信息。分段的目的是為了更好地滿足用戶的需要。
·頁的大小固定且由系統決定，把邏輯地址劃分為頁號和頁內地址兩部分，是由機器硬體實現的。段的長度不固定，且決定於用戶所編寫的程序，通常由編譯系統在對源程序進行編譯時根據信息的性質來劃分。
·頁式系統地址空間是一維的，即單一的線性地址空間，程序員只需利用一個標識符，即可表示一個地址。分段的作業地址空間是二維的，程序員在標識一個地址時，既需給出段名，又需給出段內地址。
原理作業10. 頁式存儲管理和段式存儲管理的工作原理特點、特點
及優劣。
答：頁式管理的基本思想是：為了更好地利用分區存儲管理中
所產生的"零頭"問題，允許把一個作業存放在不連續的內存塊中，
又可以連續運行，它允許只調入用戶作業中常用部分，不常用部分
不長期駐留內存，有效提高了內存的利用率。
頁式存儲管理的工作原理：
A、劃分實頁：將物理內存劃分成位置固定、大小相同的"塊"（實頁
面）。
B、劃分虛頁：將用戶邏輯地址空間也分成同樣大小的頁面，成為虛
擬空間的虛頁面。
C、建立頁表：有時稱為頁面表或頁面映射表（pmt）。每個作業一
張，按虛頁號進行登記，其基本的內容有特徵位（表示該頁是否
在內存、實頁號以及對應外存的地址。
D、地址變換：將虛頁面的邏輯地址轉化為實頁面的物理地址，在程
序執行時改變為物理地址，屬於作業的動態重定位，一般由地址
轉換機構（硬體）完成。
特點：
允許一個作業存放在不連續的內存塊中而又能保證作業連續得以運行
，既不需要移動內存中的信息，又可較好地解決零頭。
優點：
a、不要求作業存放在連續的內存塊中，有效地解決零頭。
b、允許用戶作業不是一次集中裝入內存而是根據需要調入，作業中
不常用部分不長期駐留內存，而本次運行的不用部分根本就不裝
入內存。
c、提供了虛存，使用戶作業地址空間不再受內存可用空間大小的限
制。
❾ 文件存儲空間管理
上篇文章介紹了文件的物理結構並介紹了文件分配的三種方式——連續分配、鏈接分配和索引分配。
本文介紹操作系統對文件存儲空間的管理。
本文內容
存儲空間的劃分： 將物理磁碟劃分為一個個文件卷（邏輯卷、邏輯盤） 。
在存儲空間初始化時，需要將各個文件卷劃分為目錄區、文件區。
有些系統支持超大型文件，可支持由多個物理磁碟組成一個文件卷。
空閑表法：即用一張表記錄磁碟中空閑的盤塊。空閑表的表項由 空閑盤的起始塊號 和 空閑盤塊數 組成。如下圖所示
如何分配磁碟塊：與內存管理中的動態分區分配類似，為一個文件分配連續的存儲空間。同樣可以採用 首次適應演算法、最佳適應演算法、最壞適應演算法，臨近適應演算法 來決定要為文件分配哪些區間。
空閑表法適用於連續分配方式。
例如，如果新創建的文件請求3個塊，按照首次適用演算法，從10號塊開始有5個連續的塊可以滿足需求，所以把10、11、12三個塊分配給文件，分配後的空閑盤塊表如下
這里以回收區前後都是空閑區為例，磁碟是第一幅圖的狀態，如果回收21、22號磁碟塊，那麼回收後的空閑盤塊表如下圖所示。
空閑鏈表法分為兩種： 空閑盤塊鏈和空閑盤區鏈
下圖分別表示空閑盤塊鏈和空閑盤區鏈。
操作系統保存著 鏈頭、鏈尾指針。
如何分配：如過某文件申請K個盤塊，則從鏈頭開始依次摘下K個盤塊分配，並修改空閑鏈的鏈頭指針。
如何回收：回收的盤塊依次掛到鏈尾，並修改空閑鏈的鏈尾指針。
下圖表示分配了3個盤塊
從上面可以看出，空閑盤塊法適用於 離散分配 的物理結構。為文件分配多個盤塊時可能要重復多次操作。
操作系統保存著 鏈頭、鏈尾指針 。
如何分配：若某文件申請K個盤塊，由於空閑盤區鏈將連續的盤塊組成一個盤區，所以若某個盤區大小滿足可以實現一次分配，同樣可以採用首次適用、最佳適用等演算法，從鏈頭開始檢索，按照一定的規則找到一個大小符合要求的空閑盤區分配給文件。若沒有合適的連續空閑塊，也可以將不同的盤區的盤同時分配給一個文件，同樣分配後也需要修改相應的指針鏈和盤區大小等數據。
如何回收：若回收區和某個空閑盤區相鄰，則需要將回收區合並到空閑盤區中。若回收區沒有和任何空閑區相鄰，將回收區作為一個單獨的一個空閑盤區掛到鏈尾。同樣也需要修改鏈表指針和盤區大小等信息。
下圖表示按照首次適用演算法分配3個盤區
從上面可以看出，空閑盤區鏈對 離散分配、連續分配 都適用。為一個文件分配多個盤塊時 效率更高 。
位示圖：磁碟內存被劃分為一個個磁碟塊，可以用二進制位對應一個盤塊。「0」代表盤塊空閑，「1」代表盤塊已分配。位示圖一般用連續的「字」來表示，下圖中一個字的字長是16位，字中的每一位對應一個盤塊。因此可以用（字型大小，位號）對應一個盤塊號。
如何分配：若文件需要K個塊，①順序掃描位示圖，找到K個相鄰或不相鄰的「0」；②根據字型大小、位號算出對應的盤塊號，將相應的盤塊分配給文件；③將相應的位設置為「1」。
如何回收：①根據回收的盤塊號計算出對應的字型大小、位號；②將相應的二進制位設置為「0」。
從上面可以看出：位示圖法對 連續分配和離散分配 都適用。
空閑表法、空閑鏈表法不適用大型文件系統，因為空閑表或空閑聯保可能過大。UNIX系統中採用了 成組鏈接法 對磁碟空閑塊進行管理。這是將上述兩種方法相結合的而形成的一種空閑管理方法。
文件卷的目錄區中專門用一個磁碟塊作為 超級塊 ，當系統啟動時需要將 超級塊讀入內存 。並且要保證與外存中的「超過塊」的數據一致。
內存的分配過程：分配過程是從棧頂取出一空閑盤塊號，將與之對應的盤塊分配給用戶，然後將棧頂指針下移一格，若該盤塊號已是棧底（即第一個盤塊），這是當前棧中最後一個可分配的盤塊號。由於在該盤塊號所對應的盤塊中記有下一組可用的盤塊號，因此，不能直接將它分配掉，需要將它記錄的下一組信息保存下來，所以比須調用磁碟讀過程，將棧底盤塊號所對應盤塊的內容讀入棧中，作為新的盤塊號棧的內容，並把原棧底對應的盤塊分配出去(其中的有用數據已讀入棧中)。然後，再分配一相應的緩沖區(作為該盤塊的緩沖區)。最後，把棧中的空閑盤塊數減1 並返回。
下面舉例說明
如果此時新建一個文件需要一個磁碟塊，那麼此時第一組有100個空閑塊，所以是足夠分配的，將棧頂的盤塊號即201號盤塊對應的盤塊分配出去，如下圖
如果此時又創建一個新的文件，需要99個磁碟塊，就需要將剩下的99個盤塊全部分配出去，但是此時300號盤塊記錄了下一組信息，如果分配出去，信息就是丟失，所以需要將300號盤塊從外存（磁碟）讀入內存，將300號盤塊記錄的信息，寫入空閑盤塊號棧，然後才能將這99塊空閑塊分配出去。具體過程如下圖所示
內存的回收過程：在系統回收空閑盤塊時，須調用盤塊回收過程進行回收。它是將回收盤塊的盤塊號記入空閑盤塊號棧的頂部，並執行空閑盤塊數加 1 操作。當棧中空閑盤塊號數目已達 100 時，表示棧已滿，便將現有棧中的100 個盤塊號記入新回收的盤塊中，再將其盤塊號作為新棧底。
以分配的第一個圖為例，201盤塊被分配出去了，如果此刻有個文件被刪除了，其佔用的盤塊是199號，系統需要回收這個盤塊，發現此時空閑盤塊號棧中記錄空閑塊數為99，直接將盤塊號記錄棧頂，將空閑盤塊數加1即可。
如果此時又有一個文件被刪除了，其佔用的盤塊是190，此時空閑盤塊號數已經達到100了，就需要將現在空閑盤塊棧中信息記入新回收的塊中。
❿ 在採用頁式存儲管理的系統中
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