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操作系統知識點第二章

科技更新时间:2026-02-28 12:57:11

> 清華大學陳渝老師操作系統教程

操作系統知識點第二章（操作系統第三章）1

三、内存計算機體系結構及内存分層體系

計算機體系結構

CPU：程序/軟件執行的控制
内存：放置程序的代碼及其處理的數據
設備

eg.鼠标、鍵盤

内存分層體系

主存（物理内存）：放置操作系統本身以及需要運行的代碼
磁盤（虛拟内存）：放置永久存放的數據

在操作系統的内存管理範例

操作系統中管理内存的4個目标

抽象

邏輯地址空間

保護

獨立地址空間

共享

訪問相同内存

虛拟化

更多的地址空間

操作系統中管理内存的不同方法

程序重定位
分段
分頁
虛拟内存
按需分頁虛拟内存

實現高度依賴于硬件

必須知道内存架構
MMU（内存管理單元）：硬件組件負責處理CPU的内存訪問請求

地址空間和地址生成

地址空間定義

物理地址空間

硬盤支持的地址空間

邏輯地址空間

一個運行的程序所擁有的内存範圍

地址生成

邏輯地址生成

eg.在C程序裡，函數的位置、變量的名字就是一種邏輯地址
.o 文件的地址從0開始

物理地址生成

CPU方面

運算器需要在邏輯地址的内存内容
内存管理單元尋找在邏輯地址和物理地址之間的映射
控制器從總線發送在物理地址的内存内容的請求

内存方面

内存發送物理地址内存的内容給CPU

操作系統方面

建立邏輯地址和物理地址之間的映射

地址安全檢查

操作系統需要确保每個程序可以有效訪問的地址空間

起始地址
地址長度

連續内存分配

内存碎片問題

空閑内存不能被利用
外部碎片

在分配單元間的未使用内存

内部碎片

在分配單元中的未使用内存

分區的動态分配

簡單的内存管理方法

當一個程序準許運行在内存中，分配一個連續的區間
分配一個連續的内存區間給運行的程序以訪問數據

分配策略

首次适配

為了分配n字節，使用第一個可用空閑塊以緻塊的尺寸比n大
基本原理和實現

簡單實現
需求

按地址排序的空間塊列表
分配需要尋找一個合适的分區
重分配需要檢查，看是否自由分區能合并于相鄰的空閑分區

優勢

簡單
易産生更大的空閑塊，向着地址空間的結尾

劣勢

易産生外碎片
不确定性

最佳适配

為了分配n字節，使用最小可用空閑塊以緻塊的尺寸比n大
基本原理和實現

為了避免分割大空閑塊
為了最小化外部碎片産生的尺寸
需求

按尺寸排列的空閑塊列表
分配需要尋找一個合适的分區
重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區

優勢

當大部分分配是小尺寸時非常有效
比較簡單

劣勢

外部碎片
重分配慢
易産生很多沒用的微小碎片

最差适配

為了分配n字節，使用最大可用空閑塊以緻塊的尺寸比n大
基本原理和實現

為了避免又太多微小的碎片
需求

按尺寸排列的空閑塊列表
分配很快（獲得最大分區）
重分配需要搜索及合并于相鄰的空閑分區，若有，然後調整空閑塊列表

優勢

假如分配是中等尺寸效果最好

劣勢

外部碎片
重分配慢
易于破碎大的空閑塊以緻大分區無法被分配

壓縮式碎片整理

重置程序以合并孔洞
要求所有程序時動态可重置的
問題

何時重置

不能再程序運行時進行

開銷

頻繁進行此操作開銷很大

交換式碎片整理

運行程序需要更多的内存
搶占等待的程序和回收它們的内存

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