操作系统原理之内存管理
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操作系统原理之基础知识
操作系统原理之死锁
操作系统原理之处理机调度
操作系统原理之信号量
操作系统原理之进程和线程管理
内存管理的概念
内存管理(Memory Management)是操作系统设计中最重要和最复杂的内容之一。虽然计算机硬件一直在飞速发展，内存容量也在不断增长，但是仍然不可能将所有用户进程和系统所需要的全部程序和数据放入主存中，所以操作系统必须将内存空间进行合理地划分和有效地动态分配。操作系统对内存划分和动态分配，就是内存管理的概念。
有效的内存管理在多道程序设计中非常重要，不仅方便用户使用存储器、提高内存利用率，还可以通过虚拟技术从逻辑上扩充存储器。
内存管理的功能有：
1、内存空间的分配与回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。
2、地址转换：在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。
3、内存空间的扩充：利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
4、存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。
在进行具体的内存管理之前，需要了解进程运行的基本原理和要求。
程序装入和链接
创建进程首先要将程序和数据装入内存。将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几个步骤：
1、编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块。
2、链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块。
3、装入：由装入程序将装入模块装入内存运行。
用户程序的处理三步步骤如下图所示。
程序的链接有以下三种方式：
1、静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数链接成一个完整的可执行程序，以后不再拆开。
2、装入时动态链接：将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，釆用边装入边链接的链接方式。
3、运行时动态链接：对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行的链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
内存的装入模块在装入内存时，同样有以下三种方式：
1) 绝对装入。在编译时，如果知道程序将驻留在内存的某个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。绝对装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，故不需对程序和数据的地址进行修改。
绝对装入方式只适用于单道程序环境（比如51类单片机编程）。另外程序中所使用的绝对地址,可在编译或汇编时给出，也可由程序员直接赋予。而通常情况下在程序中釆用的是符号地址，编译或汇编时再转换为绝对地址。
2) 可重定位装入。在多道程序环境下，多个目标模块的起始地址通常都是从0开始，程序中的其他地址都是相对于起始地址的,此时应釆用可重定位装入方式。根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定位，地址变换通常是在装入时一次完成的，所以又称为静态重定位，如下图(a)所示。
静态重定位的特点是在一个作业装入内存时，必须分配其要求的全部内存空间，如果没有足够的内存，就不能装入该作业。此外，作业一旦进入内存后，在整个运行期间不能在内存中移动，也不能再申请内存空间。
3) 动态运行时装入，也称为动态重定位，程序在内存中如果发生移动，就需要釆用动态的装入方式。装入程序在把装入模块装入内存后，并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行，起始地址也是程序执行时才确定的。因此，装入内存后的所有地址均为相对地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持，如上图(b)所示。
动态重定位的特点是可以将程序分配到不连续的存储区中；在程序运行之前可以只装入它的部分代码即可投入运行，然后在程序运行期间，根据需要动态申请分配内存；便于程序段的共享，可以向用户提供一个比存储空间大得多的地址空间。
逻辑地址空间与物理地址空间
编译后，每个目标模块都是从0号单元开始编址，称为该目标模块的相对地址（或逻辑地址)。当链接程序将各个模块链接成一个完整的可执行目标程序时，链接程序顺序依次按各个模块的相对地址构成统一的从0号单元开始编址的逻辑地址空间。用户程序和程序员只需知道逻辑地址，而内存管理的具体机制则是完全透明的，它们只有系统编程人员才会涉及。不同进程可以有相同的逻辑地址，因为这些相同的逻辑地址可以映射到主存的不同位置。
物理地址空间是指内存中物理单元的集合，它是地址转换的最终地址，进程在运行时执行指令和访问数据最后都要通过物理地址从主存中存取。当装入程序将可执行代码装入内存时，必须通过地址转换将逻辑地址转换成物理地址，这个过程称为地址重定位。
内存保护
内存分配前，需要保护操作系统不受用户进程的影响，同时保护用户进程不受其他用户进程的影响。通过釆用重定位寄存器和界地址寄存器来实现这种保护。重定位寄存器含最小的物理地址值，界地址寄存器含逻辑地址值。每个逻辑地址值必须小于界地址寄存器；内存管理机构动态地将逻辑地址与界地址寄存器进行比较，如果未发生地址越界，则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址，再送交内存单元，如下图所示。
当CPU调度程序选择进程执行时，派遣程序会初始化重定位寄存器和界地址寄存器。每一个逻辑地址都需要与这两个寄存器进行核对，以保证操作系统和其他用户程序及数据不被该进程的运行所影响。
内存覆盖与内存交换
覆盖与交换技术是在多道程序环境下用来扩充内存的两种方法。
内存覆盖
早期的计算机系统中，主存容量很小，虽然主存中仅存放一道用户程序，但是存储空间放不下用户进程的现象也经常发生，这一矛盾可以用覆盖技术来解决。
覆盖的基本思想是：由于程序运行时并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分（尤其是大程序），因此可以把用户空间分成一个固定区和若干个覆盖区。将经常活跃的部分放在固定区，其余部分按调用关系分段。首先将那些即将要访问的段放入覆盖区，其他段放在外存中，在需要调用前，系统再将其调入覆盖区，替换覆盖区中原有的段。
覆盖技术的特点是打破了必须将一个进程的全部信息装入主存后才能运行的限制，但当同时运行程序的代码量大于主存时仍不能运行。
内存交换
交换（对换）的基本思想是，把处于等待状态（或在CPU调度原则下被剥夺运行权利） 的程序从内存移到辅存，把内存空间腾出来，这一过程又叫换出；把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存，这一过程又称为换入。在线程和进程管理一文中介绍的中级调度就是釆用交换技术。
例如，有一个CPU釆用时间片轮转调度算法的多道程序环境。时间片到，内存管理器将刚刚执行过的进程换出，将另一进程换入到刚刚释放的内存空间中。同时，CPU调度器可以将时间片分配给其他已在内存中的进程。每个进程用完时间片都与另一进程交换。理想情况下，内存管理器的交换过程速度足够快，总有进程在内存中可以执行。
有关交换需要注意以下几个问题：
1、交换需要备份存储，通常是快速磁盘。它必须足够大，并且提供对这些内存映像的直接访问。
2、为了有效使用CPU，需要每个进程的执行时间比交换时间长，而影响交换时间的主要是转移时间。转移时间与所交换的内存空间成正比。
3、如果换出进程，必须确保该进程是完全处于空闲状态。
4、交换空间通常作为磁盘的一整块，且独立于文件系统，因此使用就可能很快。
5、交换通常在有许多进程运行且内存空间吃紧时开始启动，而系统负荷降低就暂停。
6、普通的交换使用不多，但交换策略的某些变种在许多系统中（如UNIX系统，SWAP区）仍发挥作用。
交换技术主要是在不同进程（或作业）之间进行，而覆盖则用于同一个程序或进程中。由于覆盖技术要求给出程序段之间的覆盖结构，使得其对用户和程序员不透明，所以对于主存无法存放用户程序的矛盾，现代操作系统是通过虚拟内存技术来解决的，覆盖技术则已成为历史，而交换技术在现代操作系统中仍具有较强的生命力。
内存连续分配管理方式
连续分配方式，是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。它主要包括单一连续分配、固定分区分配和动态分区分配。
单一连续分配
内存在此方式下分为系统区和用户区，系统区仅提供给操作系统使用，通常在低地址部分；用户区是为用户提供的、除系统区之外的内存空间。这种方式无需进行内存保护。
这种方式的优点是简单、无外部碎片，可以釆用覆盖技术，不需要额外的技术支持。缺点是只能用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片，存储器的利用率极低。
固定分区分配
固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时，便可以再从外存的后备作业队列中,选择适当大小的作业装入该分区，如此循环。
固定分区分配的两种方法：
固定分区分配在划分分区时，有两种不同的方法，如上图所示。
(a) 分区大小相等：用于利用一台计算机去控制多个相同对象的场合，缺乏灵活性。
(b) 分区大小不等：划分为含有多个较小的分区、适量的中等分区及少量的大分区。
为便于内存分配，通常将分区按大小排队，并为之建立一张分区说明表，其中各表项包括每个分区的起始地址、大小及状态（是否已分配），如下图(a)所示。当有用户程序要装入时，便检索该表，以找到合适的分区给予分配并将其状态置为”已分配”；未找到合适分区则拒绝为该用户程序分配内存。存储空间的分配情况下图(b)所示。
这种分区方式存在两个问题：一是程序可能太大而放不进任何一个分区中，这时用户不得不使用覆盖技术来使用内存空间；二是主存利用率低，当程序小于固定分区大小时，也占用了一个完整的内存分区空间，这样分区内部有空间浪费，这种现象称为内部碎片。
固定分区是可用于多道程序设计最简单的存储分配，无外部碎片，但不能实现多进程共享一个主存区，所以存储空间利用率低。固定分区分配很少用于现在通用的操作系统中，但在某些用于控制多个相同对象的控制系统中仍发挥着一定的作用。
动态分区分配
动态分区分配又称为可变分区分配，是一种动态划分内存的分区方法。这种分区方法不预先将内存划分，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统中分区的大小和数目是可变的。
如上图所示，系统有64MB内存空间，其中低8MB固定分配给操作系统，其余为用户可用内存。开始时装入前三个进程，在它们分别分配到所需空间后，内存只剩下4MB，进程4无法装入。在某个时刻，内存中没有一个就绪进程，CPU出现空闲，操作系统就换出进程2，换入进程4。由于进程4比进程2小，这样在主存中就产生了一个6MB的内存块。之后CPU又出现空闲，而主存无法容纳进程2,操作系统就换出进程1，换入进程2。
动态分区在开始分配时是很好的，但是之后会导致内存中出现许多小的内存块。随着时间的推移，内存中会产生越来越多的碎片（上图中最后的4MB和中间的6MB，且随着进程的换入/换出，很可能会出现更多更小的内存块)，内存的利用率随之下降。这些小的内存块称为外部碎片，指在所有分区外的存储空间会变成越来越多的碎片，这与固定分区中的内部碎片正好相对。克服外部碎片可以通过紧凑（Compaction)技术来解决，就是操作系统不时地对进程进行移动和整理。但是这需要动态重定位寄存器的支持，且相对费时。紧凑的过程实际上类似于Windows系统中的磁盘整理程序，只不过后者是对外存空间的紧凑。
在进程装入或换入主存时，如果内存中有多个足够大的空闲块，操作系统必须确定分配哪个内存块给进程使用，这就是动态分区的分配策略，考虑以下几种算法：
1、首次适应(First Fit)算法：空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时顺序查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
2、最佳适应(Best Fit)算法：空闲分区按容量递增形成分区链，找到第一个能满足要求的空闲分区。
3、最坏适应(Worst Fit)算法：又称最大适应(Largest Fit)算法，空闲分区以容量递减的次序链接。找到第一个能满足要求的空闲分区，也就是挑选出最大的分区。
4、邻近适应(Next Fit)算法：又称循环首次适应算法，由首次适应算法演变而成。不同之处是分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。
在这几种方法中，首次适应算法不仅是最简单的，而且通常也是最好和最快的。在UNIX系统的最初版本中，就是使用首次适应算法为进程分配内存空间，其中使用数组的数据结构 (而非链表）来实现。不过首次适应算法会使得内存的低地址部分出现很多小的空闲分区，而每次分配查找时，都要经过这些分区，因此也增加了查找的开销。
邻近适应算法试图解决这个问题，但实际上，它常常会导致在内存的末尾分配空间（因为在一遍扫描中，内存前面部分使用后再释放时，不会参与分配)，分裂成小碎片。它通常比首次适应算法的结果要差。
最佳适应算法虽然称为“最佳”，但是性能通常很差，因为每次最佳的分配会留下很小的难以利用的内存块，它会产生最多的外部碎片。
最坏适应算法与最佳适应算法相反，选择最大的可用块，这看起来最不容易产生碎片，但是却把最大的连续内存划分开，会很快导致没有可用的大的内存块，因此性能也非常差。
Kunth和Shore分别就前三种方法对内存空间的利用情况做了模拟实验，结果表明：
首次适应算法可能比最佳适应法效果好，而它们两者一定比最大适应法效果好。
另外注意，在算法实现时，分配操作中最佳适应法和最大适应法需要对可用块进行排序或遍历查找，而首次适应法和邻近适应法只需要简单查找；回收操作中，当回收的块与原来的空闲块相邻时（有三种相邻的情况，比较复杂)，需要将这些块合并。在算法实现时，使用数组或链表进行管理。除了内存的利用率，这里的算法开销也是操作系统设计需要考虑的一个因素。
以上三种内存分区管理方法有一共同特点，即用户进程（或作业）在主存中都是连续存放的。这里对它们进行比较和总结，见下表。
内存非连续分配管理方式
非连续分配允许一个程序分散地装入到不相邻的内存分区中，根据分区的大小是否固定分为分页存储管理方式和分段存储管理方式。
基本分页存储管理方式
分页存储管理方式中，又根据运行作业时是否要把作业的所有页面都装入内存才能运行分为基本分页存储管理方式和请求分页存储管理方式。请求分页存储管理方式一般用于虚拟内存实现。
固定分区会产生内部碎片，动态分区会产生外部碎片，这两种技术对内存的利用率都比较低。
我们希望内存的使用能尽量避免碎片的产生，这就引入了分页的思想：
把主存空间划分为大小相等且固定的块，块相对较小，作为主存的基本单位。每个进程也以块为单位进行划分，进程在执行时，以块为单位逐个申请主存中的块空间。
分页的方法从形式上看，像分区相等的固定分区技术，不过分页管理不会产生外部碎片。
分页管理和固定分区技术又有本质上的不同点：
块的大小相对分区要小很多，而且进程也按照块进行划分，进程运行时按块申请主存可用空间并执行。这样，进程只会在为最后一个不完整的块申请一个主存块空间时，才产生主存内部碎片，所以尽管会产生内部碎片，但是这种碎片相对于进程来说也是很小的，每个进程平均只产生半个块大小的内部碎片（也称页内碎片）。
1) 分页存储的几个基本概念
a.页面和页面大小。进程中的块称为页(Page)，内存中的块称为页框（Page Frame，或页帧）。外存也以同样的单位进行划分，直接称为块(Block)。
进程在执行时需要申请主存空间，就是要为每个页面分配主存中的可用页框，这就产生了页和页框的一一对应。
为方便地址转换，页面大小应是2的整数幂。同时页面大小应该适中，如果页面太小，会使进程的页面数过多，这样页表就过长，占用大量内存，而且也会增加硬件地址转换的开销，降低页面换入/换出的效率；页面过大又会使页内碎片增大，降低内存的利用率。所以页面的大小应该适中，考虑到空间效率和时间效率的权衡。
b.地址结构。分页存储管理的逻辑地址结构如下图所示。
地址结构包含两部分：前一部分为页号P，后一部分为页内偏移量W。地址长度为32位，其中0~11位为页内地址，即每页大小为4KB；12~31位为页号，地址空间最多允许有220页。
c.页表。为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表，记录页面在内存中对应的物理块号，页表一般存放在内存中。
在配置了页表后，进程执行时，通过查找该表，即可找到每页在内存中的物理块号。可见，页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射，如下图所示。
2) 基本地址变换机构
地址变换机构的任务是将逻辑地址转换为内存中物理地址，地址变换是借助于页表实现的。下图给出了分页存储管理系统中的地址变换机构。
在系统中通常设置一个页表寄存器(PTR)，存放页表在内存的始址F和页表长度M。
进程未执行时，页表的始址和长度存放在进程控制块中，当进程执行时，才将页表始址和长度存入页表寄存器。
设页面大小为L，逻辑地址A到物理地址E的变换过程如下：
1、计算页号P(P=A/L)和页内偏移量W (W=A%L)。
2、比较页号P和页表长度M，若P >= M，则产生越界中断，否则继续执行。
3、页表中页号P对应的页表项地址 = 页表起始地址F + 页号P 页表项长度，取出该页表项内容b，即为物理块号。
4、计算E=bL+W，用得到的物理地址E去访问内存。
以上整个地址变换过程均是由硬件自动完成的。
例如，若页面大小L为1K字节，页号2对应的物理块为b=8，计算逻辑地址A=2500的物理地址E的过程如下：P=2500/1K=2，W=2500%1K=452，查找得到页号2对应的物理块的块号为 8，E=8*1024+452=8644。
总结以上内容可以看出分页管理方式存在的两个主要问题：
1、每次访存操作都需要进行逻辑地址到物理地址的转换，地址转换过程必须足够快，否则访存速度会降低；
2、每个进程引入了页表，用于存储映射机制，页表不能太大，否则内存利用率会降低，存在页内碎片。
3) 具有快表的地址变换机构
由上面介绍的地址变换过程可知，若页表全部放在内存中，则存取一个数据或一条指令至少要访问两次内存：
第一次是先访问页表，以便确定所存取的数据或指令的物理地址，
第二次是根据第一次取出的地址到对应的物理地址存取数据或指令。
显然，这种方法是需要改进的。为此，在地址变换机构中增设了一个具有并行查找能力的高速缓冲存储器——快表，又称联想寄存器(TLB)，用来存放当前访问的若干页表项，以加速地址变换的过程。与此对应，原来主存中的页表就常被称为慢表，配有快表的地址变换机构如下图所示。
在具有快表的分页机制中，地址的变换过程（注意比较上文没有块表的分页管理方式的过程）：
1、CPU给出逻辑地址后，由硬件进行地址转换并将页号送入高速缓存寄存器，并将此页号与快表中的所有页号进行比较。
2、如果找到匹配的页号，说明所要访问的页表项在快表中，则直接从中取出该页对应的页框号，与页内偏移量拼接形成物理地址。这样，存取数据仅一次访存便可实现。
3、如果没有找到，则需要访问主存中的页表（慢表），在读出页表项后，需要同时将其存入快表，以便后面可能的再次访问。但若快表已满，则必须按照一定的算法对旧的页表项进行替换。
注意：有些处理机设计为快表和慢表同时查找，如果在快表中查找成功则终止慢表的查找。
一般快表的命中率可以达到90%以上，这样原本分页带来的速度损失就降低到10%以下。快表的有效性是基于著名的局部性原理，这在后面的虚拟内存中将会具体讨论。
4) 两级页表
由于引入了分页管理，因此进程在执行时不需要将所有页调入内存页框中，而只要将保存有映射关系的页表调入内存中即可，但是我们仍然需要考虑页表的大小。为什么？
以32位逻辑地址空间、页面大小4KB、页表项大小4B为例。若要实现进程对全部逻辑地址空间的映射，则每个进程需要2^20，约100万个页表项。换算成存储所需的大小，每个进程仅页表这一项就需要4MB主存空间，这显然是不合理的。即便不考虑进程对全部逻辑地址空间进行映射的情况，一个逻辑地址空间稍大的进程，其页表大小也可能是过大的。以一个40MB的进程为例，页表项共40KB，如果将所有页表项内容保存在内存中，那么需要10个内存页框来保存整个页表。整个进程大小约为1万个页面，而实际执行时只需要几十个页面进入内存页框就可以运行，但如果要求10个页面大小的页表必须全部进入内存，这相对实际执行时的几十个进程页面的大小来说，肯定是降低了内存利用率的。从另一方面来说，这10页的页表项也并不需要同时保存在内存中，因为大多数情况下，映射所需要的页表项都在页表的同一个页面中。
为此可以将页表映射的思想做进一步延伸，可以得到二级分页：将页表的10页空间也进行地址映射，建立上一级页表，用于存储页表的映射关系。这里对页表的10个页面进行映射只需要10个页表项，所以上一级页表只需要1页就足够（可以存储2^10=1024个页表项）。在进程执行时，只需要将这1页的上一级页表调入内存即可，进程的页表和进程本身的页面，可以在后面的执行中再调入内存。
如下图所示，这是intel处理器80x86系列的硬件分页的地址转换过程。在32位系统中，全部32位逻辑地址空间可以分为2^20(4GB/4KB)个页面。这些页面可以再进一步建立顶级页表，需要210个顶级页表项进行索引，这正好是一页的大小，所以建立二级页表即可。
举例，32位系统中进程分页的工作过程：假定内核已经给一个正在运行的进程分配的逻辑地址空间是0x20000000到0x2003FFFF，这个空间由64个页面组成。在进程运行时，我们不需要知道全部这些页的页框的物理地址，很可能其中很多页还不在主存中。这里我们只注意在进程运行到某一页时，硬件是如何计算得到这一页的页框的物理地址的即可。现在进程需要读逻辑地址0x20021406中的字节内容，这个逻辑地址按如下进行处理：
逻辑地址： 0x20021406 (0010 0000 0000 0010 0001 0100 0000 0110 B)
顶级页表字段：0x80 (00 1000 0000 B)
二级页表字段：0x21 (00 0010 0001B)
页内偏移量字段：0x406 (0100 0000 0110 B)
顶级页表字段的0x80用于选择顶级页表的第0x80表项，此表项指向和该进程的页相关的二级页表；二级页表字段0x21用于选择二级页表的第0x21表项，此表项指向包含所需页的页框；最后的页内偏移量字段0x406用于在目标页框中读取偏移量为0x406中的字节，这是32位系统下比较实际的一个例子。
建立多级页表的目的在于建立索引，这样不用浪费主存空间去存储无用的页表项，也不用盲目地顺序式查找页表项，而建立索引的要求是最高一级页表项不超过一页的大小。
但是在64位操作系统中，页表的划分和32位操作系统是不一样的，整个过程需要重新考虑。我们假设仍然釆用4KB页面大小。偏移量字段12位，假设页表项大小为8B。这样，其上一级分页时，每个页框只能存储29(4KB/8B)个页表项，而不再是210个，所以上一级页表字段为9位。后面同理继续分页。64=12+9+9+9+9+9+7，所以需6级分页才能实现索引。很多书中仍然按32位操作系统的页表项进行分析，虽然同样能得出6级分页的结果，但显然是错误的。这里给出两个实际的64位操作系统的分页级别（注意：里面没有使用全部64位寻址，不过由于地址字节对齐的设计考虑，仍然使用8B大小的页表项），理解了下表中的分级方式，相信对多级分页就非常清楚了。
两种系统的分级方式：
基本分段存储管理方式
分页管理方式是从计算机的角度考虑设计的，以提高内存的利用率，提升计算机的性能。分页通过硬件机制实现，对用户完全透明。
而分段管理方式的提出则是考虑了用户和程序员，以满足方便编程、信息保护和共享、动态增长及动态链接等多方面的需要。
分页是物理上的，分段是逻辑上的。
分页是自动计算的，分段是由程序员（或编译器）指定的。
1) 分段
段式管理方式按照用户进程中的自然段划分逻辑空间。例如，用户进程由主程序、两个子程序、栈和一段数据组成，于是可以把这个用户进程划分为5个段，每段从0开始编址，并分配一段连续的地址空间（段内要求连续，段间不要求连续，因此整个作业的地址空间是二维的）。其逻辑地址由段号S与段内偏移量W两部分组成。
在下图中，段号为16位，段内偏移量为16位，则一个作业最多可有216=65536个段，最大段长为64KB。
分段系统中的逻辑地址结构：
在页式系统中，逻辑地址的页号和页内偏移量对用户是透明的，但在段式系统中，段号和段内偏移量必须由用户显示提供，在髙级程序设计语言中，这个工作由编译程序完成。
2) 段表。
每个进程都有一张逻辑空间与内存空间映射的段表，其中每一个段表项对应进程的一个段，段表项记录该段在内存中的起始地址和段的长度。段表的内容如下图所示。
段表项：
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，段表用于实现从逻辑段到物理内存区的映射，如下图所示。
利用段表实现地址映射：
3) 地址变换机构。
分段系统的地址变换过程：
为了实现进程从逻辑地址到物理地址的变换功能，在系统中设置了段表寄存器，用于存放段表始址F和段表长度M。其从逻辑地址A到物理地址E之间的地址变换过程如下：
1、从逻辑地址A中取出前几位为段号S，后几位为段内偏移量W。
2、比较段号S和段表长度M，若S多M，则产生越界中断，否则继续执行。
3、段表中段号S对应的段表项地址 = 段表起始地址F + 段号S * 段表项长度，取出该段表项的前几位得到段长C。若段内偏移量>=C，则产生越界中断，否则继续执行。
4、取出段表项中该段的起始地址b，计算 E = b + W，用得到的物理地址E去访问内存。
4) 段的共享与保护。
在分段系统中，段的共享是通过两个作业的段表中相应表项指向被共享的段的同一个物理副本来实现的。当一个作业正从共享段中读取数据时，必须防止另一个作业修改此共享段中的数据。不能修改的代码称为纯代码或可重入代码（但是它不属于临界资源，这样的代码和不能修改的数据是可以共享的（共享读），而可修改的代码和数据则不能共享）。
与分页管理类似，分段管理的保护方法主要有两种：一种是存取控制保护，另一种是地址越界保护。
地址越界保护是利用段表寄存器中的段表长度与逻辑地址中的段号比较，若段号大于段表长度则产生越界中断；再利用段表项中的段长和逻辑地址中的段内位移进行比较，若段内位移大于段长，也会产生越界中断。
段页式管理方式
页式存储管理能有效地提高内存利用率，分段存储管理能反映程序的逻辑结构以及段的共享。如果将这两种存储管理方法结合起来，就形成了段页式存储管理方式。
在段页式系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑段，每段都有自己的段号，然后再将每一段分成若干个大小固定的页。对内存空间的管理仍然和分页存储管理一样，将其分成若干个和页面大小相同的存储块，对内存的分配以存储块为单位，如下图所示。
段页式管理方式：
在段页式系统中，作业的逻辑地址分为三部分：段号、页号和页内偏移量，如下图所示。
段页式系统的逻辑地址结构：
为了实现地址变换，系统为每个进程建立一张段表，而每个分段有一张页表。段表表项中至少包括段号、页表长度和页表起始地址，页表表项中至少包括页号和块号。此外，系统中还应有一个段表寄存器，指出作业的段表起始地址和段表长度。
注意：在一个进程中，段表有且只有一个，而页表则可能有多个。
在进行地址变换时，首先通过段表查到页表起始地址，然后通过页表找到页帧号，最后形成物理地址。如下图所示，进行一次访问需要三次访问主存，不过同样可以使用快表以加快查找速度，其关键字由段号、页号组成，值是对应的页帧号和保护码。
段页式系统的地址变换机构：
传统存储管理方式的特征和不足
前面介绍的各种内存管理策略都是为了同时将多个进程保存在内存中以便允许多道程序设计。
它们都具有以下两个共同的特征：
1) 一次性
作业必须一次性全部装入内存后，方能开始运行。这会导致两种情况发生：
1、当作业很大，不能全部被装入内存时，将使该作业无法运行；
2、当大量作业要求运行时，由于内存不足以容纳所有作业，只能使少数作业先运行，导致多道程序度的下降。
2) 驻留性
作业被装入内存后，就一直驻留在内存中，其任何部分都不会被换出，直至作业运行结束。运行中的进程，会因等待I/O而被阻塞，可能处于长期等待状态，不过因为作业没有结束，所以不会被清除掉。
由以上分析可知，许多在程序运行中不用或暂时不用的程序（数据）占据了大量的内存空间，而一些需要运行的作业却又无法装入运行，这显然浪费了宝贵的内存资源。
局部性原理
要真正理解虚拟内存技术的思想，首先先补充了解一下计算机中著名的局部性原理。
SUN公司的CEO Bill Joy说过，“在研究所的时候，我经常开玩笑地说高速缓存是计算机科学中唯一重要的思想。事实上，髙速缓存技术确实极大地影响了计算机系统的设计。”
快表、页高速缓存以及虚拟内存技术从广义上概括的话都属于高速缓存技术。
高速缓存技术所依赖的原理就是局部性原理。
局部性原理既适用于程序结构，也适用于数据结构（比如Dijkstra著名的关于“goto语句有害”的论文也是对程序局部性原理的深刻认识和理解）。
局部性原理表现在以下两个方面：
1、时间局部性：
如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能会再次被执行；如果某数据被访问过，不久以后该数据可能会再次被访问。
产生时间局部性的原因在于程序中一般会存在着很多循环。
2、空间局部性：
如果程序访问了某个存储单元，不久之后其附近的存储单元也将会被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能会集中在一定的范围之内。
这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，对应读取的数据一般也是以向量、数组、表等形式“簇聚”存储的。
对于时间局部性，是通过将近来频繁被使用的指令和数据保存到高速缓存存储器中，并使用高速缓存的层次结构实现的。
对于空间局部性，通常是使用较大的高速缓存，并将预取机制集成到高速缓存控制逻辑中实现的。
虚拟内存技术实际上就是建立了“内存——外存”的两级存储器的结构，利用局部性原理实现髙速缓存。
虚拟内存的概念、特征、实现
虚拟存储器的概念和特征
基于局部性原理，在程序装入时可以只将程序的一部分装入内存，而将其余部分仍留在外存，然后就可以启动程序执行。接着在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，此时再由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。相应的操作系统会将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，腾出空间存放将要调入内存的信息。这样的机制，就好像系统为用户提供了一个比实际内存大得多的存储器，也称为虚拟存储器。
之所以将其称为虚拟存储器，是因为这种存储器实际上并不存在，只是由于系统提供了部分装入、请求调入和置换功能后（对用户完全透明），给用户的感觉是好像存在一个比实际物理内存大得多的存储器。
不过虚拟存储器的具体大小是由计算机的地址结构决定的，并非是内存和外存的简单相加。
虚拟存储器有以下三个主要特征：
1、多次性，是指无需在作业运行时一次性地全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存运行。
2、对换性，是指无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业的运行过程中，进行换进和换出。
3、虚拟性，是指从逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内存容量，远大于实际的内存容量。
虚拟内存技术的实现
釆用连续分配方式时，会使相当一部分内存空间都处于暂时或“永久”的空闲状态，造成内存资源的严重浪费，而且也无法从逻辑上扩大内存容量。在虚拟内存中，允许将一个作业分多次调入内存。因此，虚拟内存需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。
虚拟内存的实现有以下三种方式：
1、请求分页存储管理。
2、请求分段存储管理。
3、请求段页式存储管理。
不管哪种方式，都需要有一定的硬件支持。一般需要的支持有以下几个方面：
1、一定容量的内存和外存。
2、页表机制（或段表机制），作为主要的数据结构。
3、中断机构，当用户程序要访问的部分尚未调入内存，则产生中断。
4、地址变换机构，逻辑地址到物理地址的变换。
请求分页管理方式实现虚拟内存
请求分页系统建立在基本分页系统基础之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和页面置换功能。请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。
在请求分页系统中，只要求将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行。在作业执行过程中，当所要访问的页面不在内存时，再通过调页功能将其调入，同时还可以通过置换功能将暂时不用的页面换出到外存上，以便腾出内存空间。
为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的内存及外存的计算机系统，还需要有页表机制、缺页中断机构和地址变换机构。
页表机制
请求分页系统的页表机制不同于基本分页系统，请求分页系统在一个作业运行之前不要求全部一次性调入内存，因此在作业的运行过程中，必然会出现要访问的页面不在内存的情况，那么如何发现和以及如何处理这种情况呢？为此，在请求页表项中增加了四个字段，如下图所示。
请求分页系统中的页表项：
增加的四个字段说明如下：
1、状态位P：用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。
2、访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近己有多长时间未被访问，供置换算法换出页面时参考。
3、修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过。
4、外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。
缺页中断机构
在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺的页调入内存。此时应将缺页的进程阻塞（调页完成唤醒)，如果内存中有空闲块，则分配一个块，将要调入的页装入该块，并修改页表中相应页表项，若此时内存中没有空闲块，则要淘汰某页（若被淘汰页在内存期间被修改过，则要将其写回外存)。
缺页中断作为中断同样要经历，诸如保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序、恢复CPU环境等几个步骤。
但与一般的中断相比，它有以下两个明显的区别：
1、在指令执行期间产生和处理中断信号，而非一条指令执行完后，属于内部中断。
2、一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。
地址变换机构
请求分页系统中的地址变换机构，是在分页系统地址变换机构的基础上，为实现虚拟内存，又增加了某些功能而形成的。
请求分页中的地址变换过程：
如上图所示，在进行地址变换时，先检索快表：
1、若找到要访问的页，便修改页表项中的访问位（写指令则还须重置修改位)，然后利用页表项中给出的物理块号和页内地址形成物理地址。
2、若未找到该页的页表项，应到内存中去查找页表，再对比页表项中的状态位P，看该页是否已调入内存，未调入则产生缺页中断，请求从外存把该页调入内存。
页面置换算法
进程运行时，若其访问的页面不在内存而需将其调入，但内存已无空闲空间时，就需要从内存中调出一页程序或数据，送入磁盘的对换区。选择调出页面的算法就称为页面置换算法。
好的页面置换算法应有较低的页面更换频率，也就是说，应将以后不会再访问或者以后较长时间内不会再访问的页面先调出。
常见的置换算法有以下四种：最佳置换算法(OPT)、先进先出(FIFO)页面置换算法、最近最久未使用(LRU)置换算法、时钟(CLOCK)置换算法。
最佳置换算法(OPT)
最佳(Optimal, OPT)置换算法所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。但由于目前还无法预知进程在内存下的若干页面中哪个是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法无法实现。
最佳置换算法可以用来评价其他算法。假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下页面号引用串：
7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1
进程运行时，先将7, 0, 1三个页面依次装入内存。进程要访问页面2时，产生缺页中断，根据最佳置换算法，选择第18次访问才需调入的页面7予以淘汰。然后，访问页面0时，因为已在内存中所以不必产生缺页中断。访问页面3时又会根据最佳置换算法将页面1淘汰……依此类推，如图3-26所示。从图中可以看出釆用最佳置换算法时的情况。
可以看到，发生缺页中断的次数为9，页面置换的次数为6。
先进先出(FIFO)页面置换算法
优先淘汰最早进入内存的页面，亦即在内存中驻留时间最久的页面。该算法实现简单，只需把调入内存的页面根据先后次序链接成队列，设置一个指针总指向最早的页面。但该算法与进程实际运行时的规律不适应，因为在进程中，有的页面经常被访问。
这里仍用上面的实例，釆用FIFO算法进行页面置换。进程访问页面2时，把最早进入内存的页面7换出。然后访问页面3时，再把2, 0, 1中最先进入内存的页换出。由图 3-27可以看出，利用FIFO算法时进行了12次页面置换，比最佳置换算法正好多一倍。
FIFO算法还会产生当所分配的物理块数增大而页故障数（错误处）不减反增的异常现象，这是由Belady于1969年发现，故称为Belady异常，如下图所示。
只有FIFO算法可能出现Belady异常，而LRU和OPT算法不会出现Belady异常。
最近最久未使用(LRU)置换算法
选择最近最长时间未访问过的页面予以淘汰，它认为过去一段时间内未访问过的页面，在最近的将来可能也不会被访问。该算法为每个页面设置一个访问字段，来记录页面自上次被访问以来所经历的时间，淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。
再对上面的实例釆用LRU算法进行页面置换，如图3-29所示。进程第一次对页面2访问时，将最近最久未被访问的页面7置换出去。然后访问页面3时，将最近最久未使用的页面1换出。
在上图中，前5次置换的情况与最佳置换算法相同，但两种算法并无必然联系。实际上，LRU算法根据各页以前的情况，是“向前看”的，而最佳置换算法则根据各页以后的使用情况，是“向后看”的。
LRU性能较好，但需要寄存器和栈的硬件支持。LRU是堆栈类的算法。理论上可以证明，堆栈类算法不可能出现Belady异常。FIFO算法基于队列实现，不是堆栈类算法，会出现Belady异常。
时钟(CLOCK)置换算法
LRU算法的性能接近于OPT，但是实现起来比较困难，且开销大；FIFO算法实现简单，但性能差。
所以操作系统的设计者尝试了很多算法，试图用比较小的开销接近LRU的性能，这类算法都是CLOCK算法的变体。
简单的CLOCK算法是给每一帧关联一个附加位，称为使用位。当某一页首次装入主存时，该帧的使用位设置为1；当该页随后再被访问到时，它的使用位也被置为1。对于页替换算法，用于替换的候选帧集合看做一个循环缓冲区，并且有一个指针与之相关联。当某一页被替换时，该指针被设置成指向缓冲区中的下一帧。当需要替换一页时，操作系统扫描缓冲区，以查找使用位被置为0的一帧。每当遇到一个使用位为1的帧时，操作系统就将该位重新置为0；如果在这个过程开始时，缓冲区中所有帧的使用位均为0，则选择遇到的第一个帧替换；如果所有帧的使用位均为1,则指针在缓冲区中完整地循环一周，把所有使用位都置为0，并且停留在最初的位置上，替换该帧中的页。由于该算法循环地检查各页面的情况，故称为CLOCK算法，又称为最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。
CLOCK算法的性能比较接近LRU，而通过增加使用的位数目，可以使得CLOCK算法更加高效。
在使用位的基础上再增加一个修改位，则得到改进型的CLOCK置换算法。这样，每一帧都处于以下四种情况之一：
1、最近未被访问，也未被修改(u=0, m=0)。
2、最近被访问，但未被修改(u=1, m=0)。
3、最近未被访问，但被修改(u=0, m=1)。
4、最近被访问，被修改(u=1, m=1)。
算法执行如下操作步骤：
1、从指针的当前位置开始，扫描帧缓冲区。在这次扫描过程中，对使用位不做任何修改。选择遇到的第一个帧(u=0, m=0)用于替换。
2、如果第1)步失败，则重新扫描，查找(u=0, m=1)的帧。选择遇到的第一个这样的帧用于替换。在这个扫描过程中，对每个跳过的帧，把它的使用位设置成0。
3、如果第2)步失败，指针将回到它的最初位置，并且集合中所有帧的使用位均为0。重复第1步，并且如果有必要，重复第2步。这样将可以找到供替换的帧。
改进型的CLOCK算法优于简单CLOCK算法之处在于替换时首选没有变化的页。由于修改过的页在被替换之前必须写回，因而这样做会节省时间。
页面分配策略
驻留集大小
对于分页式的虚拟内存，在准备执行时，不需要也不可能把一个进程的所有页都读取到主存，因此，操作系统必须决定读取多少页放置在内存中，也称为驻留集。
也就是说，给特定的进程分配多大的主存空间，需要考虑以下几点：
1、分配给一个进程的存储量越小，在任何时候驻留在主存中的进程数就越多，从而可以提高处理机的时间利用效率。
2、如果一个进程在主存中的页数过少，尽管有局部性原理，页错误率仍然会相对较高。
3、如桌页数过多，由于局部性原理，给特定的进程分配更多的主存空间对该进程的错误率没有明显的影响。
基于这些因素，现代操作系统通常釆用三种策略：
1、固定分配局部置换。它为每个进程分配一定数目的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面。实现这种策略难以确定为每个进程应分配的物理块数目：太少会频繁出现缺页中断，太多又会使CPU和其他资源利用率下降。
2、可变分配全局置换。这是最易于实现的物理块分配和置换策略，为系统中的每个进程分配一定数目的物理块,操作系统自身也保持一个空闲物理块队列。当某进程发生缺页时，系统从空闲物理块队列中取出一个物理块分配给该进程，并将欲调入的页装入其中。
3、可变分配局部置换。它为每个进程分配一定数目的物理块，当某进程发生缺页时，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，这样就不会影响其他进程的运行。如果进程在运行中频繁地缺页，系统再为该进程分配若干物理块，直至该进程缺页率趋于适当程度；反之，若进程在运行中缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。
调入页面的时机
为确定系统将进程运行时所缺的页面调入内存的时机，可釆取以下两种调页策略：
1、预调页策略。根据局部性原理，一次调入若干个相邻的页可能会比一次调入一页更高效。但如果调入的一批页面中大多数都未被访问，则又是低效的。所以就需要釆用以预测为基础的预调页策略，将预计在不久之后便会被访问的页面预先调入内存。但目前预调页的成功率仅约50%。故这种策略主要用于进程的首次调入时，由程序员指出应该先调入哪些页。
2、请求调页策略。进程在运行中需要访问的页面不在内存而提出请求，由系统将所需页面调入内存。由这种策略调入的页一定会被访问，且这种策略比较易于实现，故在目前的虚拟存储器中大多釆用此策略。它的缺点在于每次只调入一页，调入调出页面数多时会花费过多的I/O开销。
从何处调入页面
请求分页系统中的外存分为两部分：用于存放文件的文件区和用于存放对换页面的对换区。对换区通常是釆用连续分配方式，而文件区釆用离散分配方式，故对换区的磁盘I/O速度比文件区的更快。这样从何处调入页面有三种情况：
1、系统拥有足够的对换区空间：可以全部从对换区调入所需页面，以提髙调页速度。为此，在进程运行前，需将与该进程有关的文件从文件区复制到对换区。
2、系统缺少足够的对换区空间：凡不会被修改的文件都直接从文件区调入；而当换出这些页面时，由于它们未被修改而不必再将它们换出。但对于那些可能被修改的部分，在将它们换出时须调到对换区，以后需要时再从对换区调入。
3、UNIX方式：与进程有关的文件都放在文件区，故未运行过的页面，都应从文件区调入。曾经运行过但又被换出的页面，由于是被放在对换区，因此下次调入时应从对换区调入。进程请求的共享页面若被其他进程调入内存，则无需再从对换区调入。
页面抖动(颠簸)
在页面置换过程中的一种最糟糕的情形是，刚刚换出的页面马上又要换入主存，刚刚换入的页面马上就要换出主存，这种频繁的页面调度行为称为页面抖动，或颠簸。
如果一个进程在换页上用的时间多于执行时间，那么这个进程就在颠簸。
频繁的发生缺页中断（抖动），其主要原因是某个进程频繁访问的页面数目高于可用的物理页帧数目。虚拟内存技术可以在内存中保留更多的进程以提髙系统效率。在稳定状态，几乎主存的所有空间都被进程块占据，处理机和操作系统可以直接访问到尽可能多的进程。但如果管理不当，处理机的大部分时间都将用于交换块，即请求调入页面的操作，而不是执行进程的指令，这就会大大降低系统效率。
工作集（驻留集）
工作集（或驻留集）是指在某段时间间隔内，进程要访问的页面集合。经常被使用的页面需要在工作集中，而长期不被使用的页面要从工作集中被丢弃。为了防止系统出现抖动现象，需要选择合适的工作集大小。
工作集模型的原理是：让操作系统跟踪每个进程的工作集，并为进程分配大于其工作集的物理块。如果还有空闲物理块，则可以再调一个进程到内存以增加多道程序数。如果所有工作集之和增加以至于超过了可用物理块的总数，那么操作系统会暂停一个进程，将其页面调出并且将其物理块分配给其他进程，防止出现抖动现象。
正确选择工作集的大小，对存储器的利用率和系统吞吐量的提嵩，都将产生重要影响。
总结思考
分页管理和分段管理
两者很多地方相似，比如内存中都是不连续的、都有地址变换机构来进行地址映射等。
但两者也存在着许多区别，下表列出了分页管理方式和分段管理方式在各个方面的对比：
