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目录
（2）当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
（3）如何进行分区的分配与回收操作？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何分配？
（4） 如何进行分区的分配与回收操作？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何回收？
一.内存
1.什么是内存？有何作用？
内存可存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理——缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾
几个常用的数量单位
注：有的题目会告诉我们内存的大小，让我们确定地址长度应该是多少（即要多少个二进
制位才能表示相应数目的存储单元)
2.进程运行的基本原理
1. 指令的工作原理
指令的工作基于“地址”。每个地址对应一个数据的存储单元
可见，我们写的代码要翻译成CPU能识别的指令。这些指令会告诉CPU应该去内存的哪个地址读/写数据，这个数据应该做什么样的处理。在这个例子中，我们默认让这个进程的相关内容从地址#0开始连续存放，指令中的地址参数直接给出了变量 x 的实际存放地址（物理地址）。
思考：如果这个进程不是从地址#0 开始存放的，会影响指令的正常执行吗？
2.逻辑地址vs物理地址
宿舍四个人一起出去旅行，四个人的学号尾号分别是0、1、2、3。
住酒店时酒店给你们安排了4个房号相连的房间。四个人按学号递增次序入住房间。比如0、1、2、3号。同学分别入住了5、6、7、8号房间。
四个人的编号0、1、2、3其实是一个“相对位置”，而各自入住的房间号是一个“绝对位置”。
只要知道0号同学住的是房号为N的房间，那么M号同学的房号一定是N+M。
也就是说，只要知道各个同学的“相对位置”和“起始房号”，就一定可以算出所有同学的“绝对位置”指令中的地址也可以采用这种思想。编译时产生的指令只关心“相对地址”，实际放入内存中时再想办法根据起始位置得到“绝对地址”。
Eg:编译时只需确定变量x存放的相对地址是100(也就是说相对于进程在内存中的起始地址而言的地址)。CPU想要找到x在内存中的实际存放位置，只需要用进程的起始地址+100即可。
相对地址又称逻辑地址，绝对地址又称物理地址。
3.从写程序到程序运行
- 编译:由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块(编译就是把高级语言翻译为机器语言)
- 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
- 装入(装载) :由装入程序将装入模块装入内存运行
下面此图 物理地址 一开始从0开始的
下面此图 物理地址 一开始从100开始的，如果直接存入79中就会出现错误
4.装入的三种方式
1.绝对装入
绝对装入 ：在编译时，如果知道程序将放到内存中的哪个位置，编译程序将产生绝对地址的目标代码。装入程序按照装入模块中的地址，将程序和数据装入内存。
2. 可重定位装入（静态重定位）
静态重定位：又称可重定位装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的，指令中使用的地 址、数据存放的地址都是相对于起始地址而言的逻辑地址。可根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。装入时对地址进行“重定位”，将逻辑地址变换为物理地址（地址变换是在装入时一次完成的）。
3. 动态运行时装入（动态重定位）
动态重定位 ：又称动态运行时装入。编译、链接后的装入模块的地址都是从0开始的。装入程序把入模块装入内存后，并不会立即把逻辑地址转换为物理地址，而是把地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此装入内存后所有的地址依然是逻辑地址。这种方式需要一个重定位寄存器的支持。
5.链接的三种方式
1. 静态链接
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连接成一个完整的可执行文件（装入模块），之后不再拆开。
2. 装入时动态链接
装入时动态链接 ：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式
3. 运行时动态链接
运行时动态链接 ：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
二、内存管理的概念
1.内存空间的分配与回收
连续分配：指为用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。
1.单一连续分配
- 在单一连续分配方式中，内存被分为 系统区 和 用户区。
- 系统区通常位于内存的低地址部分，用于存放操作系统相关数据；用户区用于存放用户进程相关数据。
- 内存中只能有一道用户程序，用户程序独占整个用户区空间。
- 优点：实现简单；无外部碎片；可以采用覆盖技术扩充内存；不一定需要采取内存保护（eg：早期的 PC操作系统 MS-DOS）。
- 缺点：只能用于单用户、单任务的操作系统中；有内部碎片；存储器利用率极低。 【分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上，就是“内部碎片”】
2. 固定分区分配
20世纪60年代出现了支持多道程序的系统，为了能在内存中装入多道程序，且这些程序之间又不会相互干扰，于是将整个用户空间划分为若干个固定大小的分区，在每个分区中只装入一道作业，这样就形成了最早的、最简单的一种可运行多道程序的内存管理方式。
- 分区大小相等：缺乏灵活性，但是很适合用于用一台计算机控制多个相同对象的场合（比如：钢铁厂有n个相同的炼钢炉，就可把内存分为n个大小相等的区域存放n个炼钢炉控制程序）
- 分区大小不等：增加了灵活性，可以满足不同大小的进程需求。根据常在系统中运行的作业大小情况进行划分（比如：划分多个小分区、适量中等分区、少量大分区）
- 当某用户程序要装入内存时，由操作系统内核程序根据用户程序大小检索该表，从中找到一个能满足大小的、未分配的分区，将之分配给该程序，然后修改状态为“已分配”。
- 优点：实现简单，无外部碎片。
- 缺点：
a. 当用户程序太大时，可能所有的分区都不能满足需求，此时不得不采用覆盖技术来解决，但这又会降低性能；
b. 会产生内部碎片，内存利用率低。
3. 动态分区分配
动态分区分配又称为可变分区分配。这种分配方式不会预先划分内存分区，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。因此系统分区的大小和数目是可变的。（eg：假设某计算机内存大小为 64MB，系统区 8MB，用户区共 56 MB…）
（1）系统要用什么样的数据结构记录内存的使用情况？
（2）当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
（3）如何进行分区的分配与回收操作？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何分配？
分配到20MB空间里面：
分配到4MB空间里面：
（4） 如何进行分区的分配与回收操作？假设系统采用的数据结构是“空闲分区表”…如何回收？
- 情况一：回收区的后面有一个相邻的空闲分区
- 情况二：回收区的前面有一个相邻的空闲分区
- 情况三：回收区的前、后各有一个相邻的空闲分区
- 情况四：回收区的前、后都没有相邻的空闲分区
- 动态分区分配 没有内部碎片 ，但是 有外部碎片 。
- 内部碎片 ，分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上。
- 外部碎片 ，是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用。
- 如果内存中空闲空间的总和本来可以满足某进程的要求，但由于进程需要的是一整块连续的内存空间，因此这些“碎片”不能满足进程的需求。
- 可以通过紧凑（拼凑，Compaction）技术来解决外部碎片。
4.动态分区分配算法
动态分区分配算法：在动态分区分配方式中， 当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配？
1. 首次适应算法
- 算法思想：每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。
- 如何实现：空闲分区以地址递增的次序排列。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
2.最佳适应算法
- 算法思想：由于动态分区分配是一种连续分配方式，为各进程分配的空间必须是连续的一整片区域。因此为了保证当“大进程”到来时能有连续的大片空间，可以尽可能多地留下大片的空闲区，即，优先使用更小的空闲区。
- 如何实现：空闲分区按容量递增次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多的、很小
的、难以利用的内存块。因此这种方法会产生很多的外部碎片。
3.最坏适应算法
- 又称最大适应算法（Largest Fit）
- 算法思想：为了解决最佳适应算法的问题——即留下太多难以利用的小碎片，可以在每次分配时优先使用最大的连续空闲区，这样分配后剩余的空闲区就不会太小，更方便使用。
- 如何实现：空闲分区按容量递减次序链接。每次分配内存时顺序查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
缺点：每次都选最大的分区进行分配，虽然可以让分配后留下的空闲区更大，更可用，但是这种方式会导致较大的连续空闲区被迅速用完。如果之后有“大进程”到达，就没有内存分区可用了。
4.邻近适应算法
- 算法思想 ：首次适应算法每次都从链头开始查找的。这可能会导致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。如果每次都从上次查找结束的位置开始检索，就能解决上述问题。
- 如何实现：空闲分区以地址递增的顺序排列（可排成一个循环链表）。每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链（或空闲分区表），找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
- 首次适应算法每次都要从头查找，每次都需要检索低地址的小分区。
- 但是这种规则也决定了当低地址部分有更小的分区可以满足需求时，会更有可能用到低地址部分的小分区，也会更有可能把高地址部分的大分区保留下来（最佳适应算法的优点）
- 邻近适应算法的规则可能会导致无论低地址、高地址部分的空闲分区都有相同的概率被使用，也就导致了高地址部分的大分区更可能被使用，划分为小分区，最后导致无大分区可用（最大适应算法的缺点）综合来看，四种算法中，首次适应算法的效果反而更好
2.内存空间的扩充
1.覆盖技术
早期的计算机内存很小，比如 IBM 推出的第一台PC机最大只支持 1MB 大小的内存。因此经常会出现内存大小不够的情况。后来人们引入了
覆盖技术，用来解决
“程序大小超过物理内存总和”的问题
- 覆盖技术的思想：将程序分为多个段（多个模块）。 常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。
- 内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。
- 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再 调出（除非运行结束）
- 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存， 用不到时调出内存
必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担。 覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。
2.交换技术
交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时
换出
外存，把外存中某些已具备运行条件的进程
换入
内存（进程在内存与磁盘间动态调度）
暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）
挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
1. 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？
- 具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式；对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式（学过文件管理章节后即可理解）。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
2. 什么时候应该交换？
- 交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
3. 应该换出哪些进程？
- 可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间…
（注意：PCB 会常驻内存，不会被换出外存）
3.地址转换
4.内存保护
操作系统需要提供
内存保护功能。保证各进程在各自存储空间内运行，互不干扰
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