《存储器管理》课件

存储器管理存储器管理是操作系统中的一个重要模块负责管理系统的内存资源确保程序能,,够安全、高效地访问内存课程简介课程目标知识涵盖课程安排本课程旨在全面介绍计算机存储器的分类、课程将涵盖主存储器管理、虚拟存储器管理该课程将通过深入浅出的讲解、实践案PPT层次结构及其管理机制帮助学生深入理解、文件存储管理等内容为学生奠定扎实的例分析等方式帮助学生全面理解存储器管,,,内存管理的原理和实现计算机系统基础理的原理和实践存储器管理概述存储器管理是操作系统的核心功能之一它负责分配、保护和管理计算机系统中的各种存储资源确保数据和程序能够正确地存储和访问存储器管理涉及主存,储器、虚拟存储器以及外部存储器等各个层次存储器管理的主要目标是提高存储资源的利用率并确保系统的可靠性、安全性,和实时性它需要解决诸如地址映射、内存分配、页面置换等复杂问题是操作,系统设计的关键所在存储器分类主存储器辅助存储器高速缓存寄存器主存储器又称为内存或，也称为外存，包括硬盘驱动器位于和主存之间，用于减位于内部，用于存储少量RAM CPUCPU用于存储程序和数据，实现高、光盘驱动器等，用于长期存少访问主存的延迟数据和地址信息，速度最快CPU速访问储大量数据存储器层次结构主存储器1主存储器是计算机系统中最快的存储设备用于存储正在运行的,程序和数据它通常采用或技术制造DRAM SRAM缓存存储器2缓存存储器位于和主存储器之间用于缓存频繁访问的数据CPU,和指令提高访问速度缓存分为、和三级,L1L2L3辅助存储器3辅助存储器通常指硬盘、光盘等二级存储设备用于存储大容量,但访问速度较慢的数据它们通过总线与连接I/O CPU主存储器管理内存分配1根据进程需求动态分配内存内存保护2防止进程间内存非法访问内存回收3及时回收不再使用的内存块主存储器管理是操作系统的核心功能之一它负责将内存空间合理分配给各个进程保护进程间内存的隔离并及时回收不再使用的内存块,,,确保系统内存资源的高效利用这些功能的实现是操作系统提供虚拟内存机制的基础地址转换机制虚拟地址空间硬件支持12每个进程都有独立的虚拟地址空间为程序访问内存提供了处理器通过地址转换机制将虚拟地址映射到物理内存地址,,,统一的视图实现内存管理页表与段表动态重定位34操作系统维护页表和段表记录虚拟地址到物理地址的映射地址转换允许进程动态获取和释放内存提高内存利用率,,关系虚拟存储器概述虚拟存储器是一种将物理内存和辅助存储器（通常是硬盘）结合起来的存储器管理技术它可以为每个进程提供一个连续的地址空间简化了,程序的开发与管理虚拟存储器的核心是通过页式或段式管理实现物理内存和辅助存储器,之间的动态映射根据需求动态调度数据载入内存提高了内存利用率和,,系统性能页式虚拟存储器地址空间分割页表管理页式虚拟存储器将进程的地址空操作系统使用页表来跟踪每个页间划分为固定大小的页面并将其面的物理位置并进行地址转换,,映射到物理内存的页框上页面置换灵活性当物理内存不足时操作系统会使页式虚拟存储器可以根据进程需,用页面置换算法将部分页面换出求动态分配和管理物理内存提高,到辅助存储器内存利用率页面置换算法（先进先出）（最近最少使用）（最优置换）（不经常使用）FIFO LRUOPT NRU根据进入内存的先后顺序进行淘汰近期最长时间未使用的页淘汰未来最长时间内不会被访基于页面的使用和修改情况进页面置换，淘汰最早进入内存面能更好地反映页面的使用问的页面能提供最优性能，行淘汰简单高效，但可能会的页面简单易实现，但可能情况，但需要记录每个页面的但需要预知未来访问情况，无淘汰仍有使用价值的页面会淘汰仍有使用价值的页面使用历史，实现复杂法实际实现工作集理论活跃页面1进程在执行过程中实际访问的页面集合工作集2在一定时间窗口内进程访问的页面集合页面置换策略3根据工作集大小调整页面置换策略工作集理论是一种动态管理内存的方法它根据进程在一定时间窗口内访问页面的情况动态调整页面置换策略尽量保证进程能访问到所,,需的活跃页面提高内存利用效率,段式虚拟存储器段式概念地址转换机制缺页处理段式虚拟存储器将进程的地址空间划分为不段式存储管理通过段表记录每个段的基地址当访问一个不在内存的段时会发生缺页中断同大小的段每一段都作为独立的可交换单和长度信息，完成虚拟地址到物理地址的转操作系统需要将该段调入内存并更新段表元，使用基地址加偏移量进行地址转换换，然后重新执行指令段页式虚拟存储器结合分段与分页灵活性和高效性12段页式虚拟存储器结合了分段该方法结合了段和页的优势既,和分页两种虚拟存储器管理技能提高空间利用率又能减少内,术将地址空间划分为不同大小存碎片具有较高的灵活性和效,,的段并将每个段进一步划分为率,固定大小的页面地址转换机制管理复杂性34通过段页式地址转换机制可以段页式虚拟存储器管理相比单,将虚拟地址转换为物理地址进一的分段或分页方式更为复杂,,而访问对应的物理内存单元需要专门的操作系统支持储存空间分配策略连续分配分散分配将进程的所有页面或段连续分配将进程的页面或段分散存放在主在主存中提高访存效率但可能会存中可以减少外部碎片但访存效,,,,造成外部碎片率降低混合分配结合连续分配和分散分配的优点根据进程特点采用不同的分配策略,存储器分配算法首次适配法最佳适配法最差适配法邻近适配法First FitBest FitWorst NextFitFit从内存起始位置开始搜索找从所有可用空间中找到最小的类似于首次适配法但记录上,,到第一个大小合适的空闲块分满足要求的空闲块分配给进程从所有可用空间中找到最大的次分配的位置从上次分配的,配给进程实现简单但可能降低内部碎片但可能增加满足要求的空闲块分配给进程下一个位置开始搜索可以减,,产生内部碎片搜索时间可能产生更多的内部碎片少内存扫描时间,但可以保持更多的大块空间抖动问题及解决方法性能降低内存抖动会严重影响系统的性能和响应速度内存使用效率低频繁的内存页面置换和硬盘读写会浪费大量的内存资源系统不稳定抖动会引发系统频繁的异常情况和崩溃问题内存抖动是指在虚拟存储器系统中,内存页面频繁地在内存和磁盘之间来回交换,导致系统性能急剧下降的现象这是由于工作集大小超出了可用内存的限制所致解决抖动的关键在于合理地调整内存分配策略,提高内存使用效率共享内存管理访问共享内存并发控制内存分配策略安全性保证多个进程可以通过映射共享内为了避免多线程访问共享资源系统需要合理分配共享内存，对共享内存的访问需要进行严存区域来访问和共享数据，提时出现冲突和数据不一致，需平衡各进程的需求，提高内存格的权限控制防止非法读写操,高程序效率要采取适当的并发控制措施利用率作内存访问保护机制权限控制隔离内存页面保护通过设置内存页面的访问权限读、写将内核态和用户态内存空间隔离进程只利用页表机制将内存页面标记为只读、,,、执行来控制进程对内存的访问权限能访问自身的内存空间避免越权访问不可执行等防止进程对这些页面进行非,,,防止非法访问法操作实时性要求下的内存管理及时响应在实时系统中内存管理必须能够在固定的时间内完成任务以确,,保系统及时响应用户需求优先级调度实时系统中的进程有不同的优先级内存管理必须根据优先级安,排内存分配和回收最小化开销内存管理的各项操作如页面置换、内存分配等都需要尽量减少,,时间开销避免影响系统实时性,外存储器管理外存储器是计算机系统中除主存以外的所有存储设备包括磁盘、光盘、磁带等,外存储器管理涉及文件管理、磁盘调度、缓存管理等多个方面确保存储设备,的高效利用和数据安全外存储器管理的主要任务包括合理分配存储空间、优化磁盘访问顺序、缓存常:用数据等提高整个计算机系统的性能和可靠性同时还需要保护文件不被非法,访问或修改确保数据安全,磁盘管理概述磁盘存储结构磁盘访问时间磁盘调度算法磁盘缓存管理磁盘由多个圆盘组成每个圆磁盘访问时间包括寻道时间、为提高磁盘利用率和访问效率操作系统通过缓存管理技术,,盘表面分为多个磁道每个磁旋转延迟时间和数据传输时间操作系统需要采用合适的磁如预读、写回等可以进一步,,,道又分为多个扇区这些构成是决定磁盘性能的关键盘调度算法如先来先服务、提高磁盘的访问性能,,,了磁盘的基本存储单元最短寻道时间优先等磁盘调度算法寻道时间优化队列调度策略分区调度策略磁盘调度算法旨在最小化磁头寻道时间提调度算法根据请求队列中的请求位置信息将磁盘空间划分为多个区域针对每个区域,,,高磁盘效率不同算法采用不同的策略来制定执行顺序如先来先服务、最短寻道时采用不同的调度算法提高整体调度效率IO,,安排请求的执行顺序间优先等缓存管理提高存取效率数据预取与淘汰12缓存管理通过将频繁访问的数缓存管理包括根据访问模式主据存储在快速的存储介质中可动预取数据并根据替换算法淘,,以大幅提高系统的整体访问速汰闲置数据的机制度硬件与软件协作性能优化至关重要34高效的缓存管理需要操作系统对于现代复杂的计算系统来说,软件与硬件存储设备紧密协作缓存管理是性能优化的关键所,利用各自的优势在直接影响整体系统的吞吐量,文件管理文件创建文件操作文件组织文件共享根据用户需求和系统要求创建提供对文件的打开、读写、修采用合理的目录结构和命名规支持多用户之间的文件共享和,各种类型的文件确保文件信改和关闭等基本操作确保文则便于用户快速定位和管理文协作并设置适当的访问权限控,,息完整、格式规范、易于管理件内容的安全性和一致性件支持文件的分类、搜索和制确保文件安全性,和访问备份文件系统结构层次结构1文件系统通常采用层次结构组织文件和目录从根目录开始一直,到各个子目录和文件这种结构清晰直观方便管理和查找,目录管理2目录记录了文件的位置、属性和访问权限等信息系统通过目录结构提供文件的组织和访问功能元数据管理3文件系统还需要管理文件创建时间、修改时间、大小、所有者等元数据用于文件检索和管理,文件存储分配策略连续分配链式分配文件连续存储在磁盘上读取时无文件以链表形式存储通过指针链,,需寻道访问效率高但会产生内接各个逻辑块可灵活分配空间,,部碎片浪费存储空间但读写性能较差索引分配文件通过索引块管理存储位置可快速定位文件各部分适用于大文件管理,,但需要额外的索引空间文件共享与保护文件共享访问控制机制版本管理文件共享允许多个用户访问和修改同一个文通过用户身份验证和权限控制可以确保每版本控制系统可以跟踪文件的修改历史避,,件这可以提高工作效率但也需要妥善管个用户只能执行被授权的文件操作免文件的误删和覆盖确保文件的完整性,,理权限文件系统安全访问控制加密保护12通过文件和目录权限管理对用采用文件加密技术对敏感文件,,户访问权限进行严格控制确保进行加密保护防止未经授权的,,只有授权用户能访问相关文件访问和泄露身份验证审计跟踪34要求用户进行身份验证后才能记录文件系统的访问和操作情访问文件系统从而确保只有合况以便及时发现和追查非法行,,法用户才能获得访问权限为设备管理设备管理设备驱动程序设备分配策略故障处理I/O操作系统负责管理各种设每种设备都需要特定的设操作系统会根据用户需求合理当设备出现故障时操作系统I/O I/O,备如键盘、鼠标、显示器、备驱动程序操作系统通过驱分配设备资源并采取相应的需要及时检测并进行故障诊断,,,打印机等确保它们能与计算动程序与设备进行沟通和控制调度算法来管理设备的使用和处理保证系统的正常运行,,机系统顺利交互输入输出设备管理多样化设备管理统一的设备接口设备驱动程序管理设备状态监控计算机系统需要管理各种输入操作系统提供了一个统一的设操作系统负责加载和管理设备操作系统会监控设备的状态,和输出设备包括键盘、鼠标备接口层屏蔽了不同设备的驱动程序确保设备能够正常如设备故障、缓存溢出等并,,,,、打印机、扫描仪等每种设底层差异使上层应用程序可工作驱动程序可以动态加载做出相应的处理措施,备都有特定的驱动程序和接口以方便地使用各种设备和卸载标准结论和展望通过对存储器管理的深入探讨我们了解到了计算机系统内存管理的各个重要方,面从存储器分类到虚拟存储器再到存储空间分配和磁盘管理每一个环节都对,,系统性能和稳定性产生重要影响展望未来随着大数据和云计算时代的来临存,,储器管理将面临更大的挑战需要更智能、更灵活的解决方案,。