计算机中级-数据库系统工程师-操作系统-存储管理

一、存储管理1. 存储管理考点重点内容虚拟存储管理和页面置换算法是核心考点分页/分段/段页式存储管理考查较少且题目简单2. 基本概念1存储器层次结构层次关系寄存器 → L1高速缓存 → L2高速缓存 → 主存 → 磁盘存储器 → 磁带/光盘存储器特性对比从上到下存取速度递减寄存器最快、存储容量递增、价格递减2逻辑地址定义程序员使用的符号命名地址如a13又称虚拟地址/相对地址特点非主存真实地址仅作为编程时的虚拟标识3物理地址定义主存中真实存在的绝对地址如0000H编址方式按字节编制每个存储单元有唯一地址4地址重定位转换过程将程序的逻辑地址转换为物理地址静态重定位时机程序装入主存时一次性完成转换特点运行期间地址不再变化动态重定位时机程序运行期间动态转换特点更灵活但需要硬件支持3. 分区存储管理1基本概念核心思想将主存划分为若干区域每个区域分配给一个作业使用固定分区分配方式系统初始化时预先划分好存储区域缺点分区大小固定如10KB/区作业大小与分区不匹配时产生内部碎片如8KB作业占用10KB分区可变分区分配方式作业装入时动态划分存储空间特点分区大小等于作业实际需求需要配合分配算法最佳适应/最差适应等问题长期运行会产生外部碎片可重定位分区核心机制允许已分配分区在内存中移动优势通过碎片整理类似靠拢操作合并小碎片为大可用空间应用场景解决外部碎片问题提高内存利用率注本笔记严格依据课程内容整理未包含后续未讲解的存储管理方案如分页/分段存储所有时间戳与幻灯片内容均保持对应关系。重点突出了存储器层次特性、地址转换机制以及三种分区方式的对比特征。4. 分页存储管理1分页存储管理原理空间划分进程地址空间被划分为大小相等的区域称为页主存空间被划分为与页大小相同的物理块页框例如1MB内存划分为1024个1KB的块分配方式进程的页可以离散地装入不相邻的物理块中如第0页放入第2块第1页放入第4块第2页放入第5块等页表作用记录页号与物理块号的映射关系系统为每个进程建立页表确保能快速找到页面对应的物理块地址结构逻辑地址由页号和页内地址组成类比书本页号相当于书页号页内地址相当于页内行号不同进程的页大小可以不同如进程A每页1KB进程B每页2KB2页式存储管理的地址映射转换步骤通过页表始址寄存器找到页表起始位置用页表长度寄存器检查页号是否越界页号页表长度通过页号在页表中查找对应的物理块号将物理块号与页内地址拼接形成物理地址示例说明逻辑地址4页号256页内地址查页表得页号4对应块号15最终物理地址为15块号256页内地址实际系统中地址通常用二进制或十六进制表示关键寄存器页表始址寄存器存储页表在主存中的起始地址页表长度寄存器存储页表长度用于地址越界检查5. 分段存储管理1段式存储管理的地址变换基本概念将用户程序或作业的地址空间按内容划分为段如主程序段、子程序段、数据段等每个段的长度不等但占用连续分区。存储分配进程中的各个段可以离散地分配到主存的不同分区中系统为每个进程建立段映射表段表。段表结构包含段号、段长L和基址三个字段其中基址表示该段在主存中的起始地址。地址转换步骤段号验证比较逻辑地址中的段号s与段表长度L若s≥L则发生地址越界段表查询通过段表起始地址找到对应段表项获取段长和基址段内地址验证比较段内地址d与段长L若d≥L则发生地址越界物理地址计算物理地址基址段内地址d关键区别与分页的区别1分段按内容划分段长不等分页按固定大小划分与分页的区别2地址转换时采用相加而非拼接方式段表特殊性需要同时存储段长和基址信息转换示例逻辑地址(2,98)转换过程验证段号2有效查询段表得段长100、基址90验证段内地址98100有效计算物理地址9098188错误检测逻辑地址(4,100)错误原因段内地址100段长96逻辑地址(3,300)转换结果13273001627存储特点每段必须连续存放但不同段可离散分配段内地址不能跨段存储如不能将一段分成两部分存放6. 段页式存储管理1段页式存储管理概念存储划分方式先将整个主存划分成大小相等的存储块页框然后将用户程序按逻辑关系分为若干个段再将每个段划分成页。实现过程先分段再分页例如主存空间被划分为12个页框用户程序分为0段、1段、2段等每段再划分为若干页如0段有1页、2段有2页等。综合优势结合了页式存储和段式存储的优点既保持了段式管理的逻辑性又具备页式管理的物理存储效率。数据结构需要同时维护段表和页表其中段表记录段号、页表始址和页表长度页表记录页号和物理块号的对应关系。2段页式存储管理的地址变换机构逻辑地址结构包含段号、段内页号和页内地址三部分。地址转换过程通过段号在段表中查找对应的页表始址和页表长度根据页表始址找到页表再通过页号在页表中查找物理块号将物理块号与页内地址拼接形成物理地址特点需要进行两次查表操作段表和页表但最终物理地址的页内地址部分直接取自逻辑地址。7. 虚拟存储管理1程序局部性原理基本概念程序执行时呈现的局部性规律即在一段时间内程序的执行和访问都局限于某个区域。时间局限性某条指令执行后不久很可能再次被执行某个存储单元被访问后不久很可能再次被访问空间局限性程序访问某个存储单元后其附近的存储单元也最有可能被访问应用意义为虚拟存储技术提供了理论基础使得部分装入成为可能。2虚拟存储器实现原理允许作业部分装入主存即可运行其余部分暂存磁盘需要时再装入效果小容量主存可运行大作业从用户角度看系统具有比实际更大的主存容量工作示例程序可分为多个部分先装入当前执行部分其余保留在外存根据局部性原理预测并预装入可能需要的部分。8. 请求分页系统的实现核心功能在纯分页基础上增加请求调页和页面置换功能实现动态页面加载与替换中断机制当访问的页面不在主存时触发缺页中断每缺失一页产生一次中断动态特性内存物理块与用户空间页的对应关系可动态变化不常用的页可被置换出去1例题:缺页中断次数判断题目解析审题要点COPY指令跨2页源地址A和目标地址B各跨2页共涉及6个页面第一问解析当A、B操作数均不在内存时访问每个缺失页面都会触发中断共4次指令页已在内存第二问解析总页面数6减去缺页中断次数3得到3个页面已在内存记忆技巧缺页中断次数缺失页面数内存页面数总页面数-缺页次数9. 页面置换算法1最佳置换算法原理选择未来最长时间不被访问或永不使用的页面置换特点理论最优但实际不可实现需要预知未来访问序列局限性实践中无法准确判断哪些页面将来不再使用2先进先出置换算法置换规则优先淘汰最早进入内存的页面停留时间最长实现方式维护页面进入队列置换队首页面优缺点实现简单但可能淘汰常用页面存在Belady异常现象3最近最少未使用算法置换策略淘汰最近一段时间使用频率最低的页面实现机制为每个页面设置访问时间字段T选择T最大的页面置换硬件需求需要额外硬件支持记录访问时间开销较大4最近未用置换算法访问位机制每个页面设置1位标志1表示访问过0表示未访问置换原则优先选择访问位为0的页面置换近似LRU通过访问位模拟使用频率比精确LRU实现成本更低性能特点未访问页面未来被访问概率较低置换风险较小二、知识小结知识点核心内容考试重点/易混淆点难度系数存储器层次结构寄存器→高速缓存→主存→磁盘→磁带/光盘速度递减容量递增寄存器最快容量最小 vs 外存最慢容量最大★★☆☆☆地址重定位逻辑地址(虚拟)→物理地址转换分静态重定位(装入前完成)和动态重定位(运行时转换)静态不可变 vs 动态可调整★★★☆☆分区存储管理固定分区(预分配)、可变分区(动态分配)、可重定位分区(碎片整理)可变分区产生外部碎片 vs 固定分区内部碎片★★★☆☆分页存储管理进程分等长页→内存分等长块通过页表映射地址页号页内偏移页表寄存器作用、快表(TLB)加速查询★★★★☆分段存储管理按逻辑模块分段(长度不等)段表含基址段长地址段号段内偏移段内地址需校验≤段长★★★★☆段页式存储先分段再分页需段表页表两次查询地址段号段内页号页内偏移综合分段分页优缺点★★★★★虚拟存储原理局部性原理(时间/空间局部性)部分装入缺页中断机制缺页中断次数缺失页面数★★★★☆页面置换算法OPT(理想)/FIFO/LRU(时间戳)/Clock(访问位)LRU需硬件支持 vs FIFO可能Belady异常★★★★☆缺页中断计算跨页指令操作数涉及页面数最大中断次数例题copy指令产生4次中断操作数不在内存即触发中断★★★★★