操作系统 第四章 非连续式内存分配

为什么需要非连续内存分配

• 连续内存分配的缺点

  • 分配给一个程序的物理内存是连续的
  • 内存利用率较低
  • 有外碎片、内碎片的问题

• 非连续分配的优点

  • 一个程序的物理地址空间是非连续的
  • 更好的内存利用和管理
  • 允许共享代码与数据（共享库……）
  • 支持动态加载和动态链接

非连续内存分配的缺点

• 如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换

  • 软件方案

  • 硬件方案

    • 分段（Segmentation）：更好的分离和共享

      • 程序的分段地址空间

      • 分段寻址方案

        • 段访问机制

          • 一个段：一个内存“块”

            • 一个逻辑地址空间

          • 程序访问内存地址需要

            • 一个二维的二元组

              • 段号
              • 段内偏移

          • 实现方案

            • 段寄存器+地址寄存器
            • 单地址

    • 分页（Paging）

      • 划分物理内存至固定大小的帧

        • 大小是2的幂

      • 划分逻辑地址空间至相同大小的页

        • 大小是2的幂

      • 建立方案：转换逻辑地址为物理地址（pages to frames）

        • 页表
        • MMU（内存管理单元，CPU重要组成部分）/TLB（块表，对页表的缓存）

      • 页帧

        • 物理内存被分割为大小相等的帧

        • 一个内存物理地址是一个二元组（f，o）

          • f——帧号（F位，共2的F次方个帧）
          • o——帧内偏移（S位，每帧有2的S次方字节）

      • 页

        • 一个程序的逻辑地址空间被划分为大小相等的页

          • 页内偏移的大小 = 帧内偏移的大小
          • 页号大小<>帧号大小

        • 一个逻辑地址是一个二元组（p，o）

          • p——页号（P位，2的P个页）
          • o——页内偏移（S位，每页有2的S次方字节）

      • 页表是由操作系统创建的

      • 页寻址机制

        • 页映射到帧
        • 页是连续的虚拟内存
        • 帧是非连续的物理内存
        • 不是所有的页都有对应的帧

页表（Page Table）

• 页表概述

  • 页表结构

    • 每个运行的程序都有一个页表

      • 属于程序运行状态，会动态变化
      • PTBR：页表基址寄存器

    • 页表项的内容

      • Flags（标志位）

        • dirty bit

        • resident bit

          • 0

            • 页帧在内存中不存在，没有这个映射关系

          • 1

        • clock/reference bit

      • 帧号

  • 地址转换实例

  • 分页机制的性能问题

    • 访问一个内存单元需要2次内存访问

      • 一次用于获取页表项
      • 一次用于访问数据

    • 页表可能非常大

      • 64位机器如果每页1024字节，那么一个页表的大小会是多少？

    • 解决方法

      • 缓存（Caching）
      • 间接（Indirection）访问

• 转换后备缓冲区（TLB）

  解决页表的时间问题

  • 缓存近期访问的页帧转换表项

    • TLB使用associative memory(关联内存)实现,具备快速访问性能

    • 如果TLB命中,物理页号可以很快被获取

    • 如果TLB未命中,对应的表项被更新到TLB中

      • TLB缺失不会很大
      • 写程序时注意使程序具有局部性,把平时的访问集中在一个区域可以减少TLB的缺失

• 二级/多级 页表

  • 二级页表

  • 多级页表

    • 通过把页号分为k各部分来实现多级间接页表

• 反向页表

  • 大地址空间问题

    • 有大地址空间（64-bits），前向映射页表变得繁琐

      • eg.5级页表

    • 不是让页表与逻辑地址空间的大小相对应，而是让页表与物理地址空间的大小相对应

      • 逻辑（虚拟）地址空间增长速度快于物理地址空间

  • 基于页寄存器（Page Registers）的方案

    • 每一个帧和寄存器关联，寄存器内容包括

      • Residence bit：此帧是否被占用
      • Occupier：对应的页号p
      • Protection bits：保护位

    • 利弊

      • 利

        • 转换表的大小相对于物理内存来说很小
        • 转换表的大小跟逻辑地址空间的大小无关

      • 弊

        • 需要的信息对调了，即根据帧号可找到页号
        • 如何转换回来？即根据页号找到帧号
        • 需要在反向页表中搜索想要的页号

  • 基于关联内存（associative memory）的方案

    • 在反向页表中搜索一个页对应的帧号

      • 如果帧数较少，页寄存器可以被放置在关联内存中

      • 在关联内存中查找逻辑页号

        • 成功：帧号被提取
        • 失败：页错误异常（page fault）

      • 限制因素

        • 大量关联内存非常昂贵

          • 难以在半个时钟周期内完成
          • 耗电

  • 基于哈希（hash）查找的方案

    • 子主题 1

      • 在反向页表中通过哈希算法来搜索一个页对应的帧号

        • 对页号做哈希计算，为了在“帧表”（每帧拥有一个表项）中获取对应的帧号

        • 页i被放置在表中f（i）位置，其中f是设定的哈希函数

        • 为了查找页i，执行下列操作

          • 计算哈希函数f（i）并且使用它作为页寄存器表的索引
          • 获取对应的页寄存器
          • 检查寄存器标签是否包含i，如果包含，则代表成功
          • 否则失败