操作系统基础27-存储器管理

2020-12-15 13:37·重学IT的老猫

前言

　　在前面学习了处理器调度后，下面接着学习存储器管理，如何对存储器进行有效的管理，直接影响着存储器的利用率和系统性能。

存储器的层次结构

　　1.主存储器

　　主存储器是计算机系统中的一个主要部件，用于保存进程运行时的程序和数据，CPU的控制部件只能从主存储器中取得指令和数据，数据能够从主存储器中读取并将他们装入到寄存器中，或者从寄存器存入到主存储器，CPU与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间。但是，主存储器的访问速度远低于CPU执行指令的速度，于是引入了寄存机和高速缓冲。

　　2 寄存器

　　寄存器访问速度最快，能与CPU协调工作，价格昂贵，容量不大，寄存器用于加速存储器的访问速度，如用寄存器存放操作数，或用作地址寄存器加快地址转换速度等。

　　3 高速缓存

　　高速缓存容量大于或远大于寄存器，但小于内存，访问速度高于主内存器，根据程序局部性原理，将主存中一些经常访问的信息存放在高速缓存中，减少访问主存储器的次数，可大幅度提高程序执行速度。通常，进程的程序和数据存放在主存，每当使用时，被临时复制到高速缓存中，当CPU访问一组特定信息时，首先检查它是否在高速缓存中，如果已存在，则直接取出使用，否则，从主存中读取信息。有的计算机系统设置了两级或多级高速缓存，一级缓存速度最高，容量小，二级缓存容量稍大，速度稍慢。

　　4 磁盘缓存

　　磁盘的IO速度远低于对主存的访问速度，因此将频繁使用的一部分磁盘数据和信息暂时存放在磁盘缓存中，可减少访问磁盘的次数，磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存储器空间的扩充，即利用主存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出或写入的信息，主存可以看做是辅存的高速缓存，因为，辅存中的数据必须复制到主存方能使用，反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。

程序的装入和链接

　　为了使程序能够运行，必须先为之创建进程，而创建进程的第一件事，就是将程序和数据装入内存，如何将一个用户源程序变为一个可在内存中执行的程序，通常要经过如下几步，首先是编译(由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块)，其次是链接(由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及它们所需要的库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块)，最后是装入(由装入程序将装入模块装入内存)。

　　程序的装入

　　在装入一个模块到内存时，有绝对装入方式，可重定位装入方式，动态运行时装入方式。

　　① 绝对装入方式，如果在编译时知道程序驻留在内存的什么位置，那么，编译程序将产生绝对地址的目标代码，绝对装入方式按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存，装入模块被装入内存后，由于程序中的逻辑地址与实际内存地址完全相同，故不需要对程序和数据的地址进行修改。

　　② 可重定位装入方式，由于绝对装入方式只能将目标模块装入到内存中事先指定的位置，在多道程序环境下，编译程序不可能事先知道所编译的目标模块应放在内存的何处，因此，绝对装入方式只适用于单道程序环境，在多道程序环境下，所得到的目标模块的起始地址通常都是以0开始的，程序中的其他地址也都是相对于起始地址计算的，此时应采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。该方式会使装入模块中的所有逻辑地址与实际装入内存的物理地址不同，需要对数据地址和指令地址进行修改，通常把在装入时对目标程序中指令和数据的修改过程称为重定位，又因为地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不再变化，故称为静态重定位。

　　③ 动态运行时装入方式，可重定位装入方式允许将装入模块装入到内存中任何允许的位置，故可用多道程序环境，但这种方式并不允许程序运行时在内存中移动位置，因为，程序在内存中的移动，意味着它的物理位置发生了变化，这就必须对程序和数据的地址进行修改后方能运行。然而，在运行过程中它在内存中的位置可能经常要改变，此时就应该采用动态运行时装入方式。动态运行时的装入程序在把装入程序装入内存后，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。因此，装入内存后的所有地址都仍是相对地址，为了使地址转换不影响指令的执行速度，需要重定位寄存器的支持。

　　程序的链接

　　源程序经过编译后，可得到一组目标模块，再利用链接程序把这组目标模块链接，形成装入模块，根据链接时间的不同，可把链接分为静态链接(在程序运行之前，先将各目标模块及他们所需的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开)、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，采用边装入边链接的链接方式)、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盖模块时，才对它进行链接)。

　　① 静态链接，在将目标模块装配成一个装入模块时，需要对相对地址进行修改（由于编译程序产生的所有目标模块中，使用的都是相对地址，其起始地址都为0，每个模块中的地址都是相对于起始地址计算的）。也需要变换外部调用符号(将每个模块中所用的外部调用符号都变换为相对地址)，这种先进行链接所形成的一个完整的装入模块，又称为可执行文件，通常都不再拆开它，要运行时可直接将它装入内存，这种事先进行链接，以后不再拆开的链接方式，称为静态链接方式。

　　② 装入时动态链接，用户源程序经编译后所得是目标模块，是在装入内存时边装入边链接的，即在装入一个目标模块时，若发生一个外部模块调用事件，将引起装入程序去找出相应的外部目标模块，并将它装入内存，装入时动态链接有如下优点，便于修改和更新（各目标模块是分开的存放的，所以要修改或更新各目标模块非常容易），便于实现对目标模块的共享（很容易将一个目标模块链接到几个应用模块上，实现多个应用程序对该模块的共享）

　　③ 运行时动态链接，将某些模块的链接推迟到程序执行时才进行链接，即在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存，把它链接到调用者模块上，凡在执行过程中未被调用到的模块，都不会被调入内存和被链接到装入模块上，这样不仅加快程序的装入过程，同时也节省了大量的内存空间。