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2KB）

2）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98<100有效
    • 计算物理地址90+98=188
• 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：1327+300=1627
• 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