《存储管理》课件

存储管理课程目标和学习要点掌握基本概念学习管理技术分析优化策略理解存储管理的核心术语和基础熟悉不同存储管理方式的工作原理论理存储管理的基本概念存储层次结构存储空间从高速缓存到外部存储的多级包括物理空间和逻辑空间结构存储管理器操作系统负责内存分配的核心组件存储管理的目的和功能保护防止进程访问非授权内存区域共享允许多个进程安全共享内存区域扩充提供比物理内存更大的地址空间分配与回收高效管理内存资源的分配与释放逻辑地址和物理地址逻辑地址物理地址程序生成的相对地址实际内存中的绝对地址又称虚拟地址加载到内存地址寄存器中MAR用户空间中的地址表示硬件可直接访问的地址地址空间和地址映射逻辑地址空间程序视角的内存空间地址映射机制内存管理单元MMU物理地址空间实际可用的物理内存内存空间的分配与回收申请查找进程请求内存空间寻找合适的空闲区域回收分配进程结束后释放内存将内存分配给进程连续分配管理方式单一连续分配1整个内存仅分配给一个用户程序固定分区分配2内存划分为固定大小的分区动态分区分配3根据需要动态创建分区固定分区分配等分分区不等分分区分区表所有分区大小相同分区大小不同，满足记录每个分区的起始不同需求地址和大小动态分区分配132分区大小可变主要分配算法空闲分区表按进程需求分配大小不等的分区首次适应、最佳适应、最坏适应记录所有空闲分区信息可重定位动态分区分配内存紧凑通过移动已分配区域，将所有空闲区合并重定位技术进程运行期间可改变其物理地址减少外部碎片提高内存利用率非连续分配管理方式基本分段存储按程序的逻辑结构划分段基本分页存储将内存划分为大小相等的页框段页式存储结合分段和分页的优点基本分页存储管理方式页面页框将逻辑地址空间等分成固定大将物理内存等分成与页面大小小的块相同的块页表记录页面与页框的映射关系页面和页表页号页框号存在位保护位读写041/只读171读写221/地址变换机构生成逻辑地址CPU由页号和页内偏移组成页表查询通过页号查找对应的页框号地址合成页框号与页内偏移组合成物理地址两级和多级页表一级页表页表连续存放，占用空间大两级页表引入页目录，减少页表占用空间多级页表进一步分层，适用于大地址空间基本分段存储管理方式按逻辑划分大小不等代码段、数据段、堆栈段等段的长度取决于程序逻辑单元的长度段表记录段号与物理地址的对应关系分段系统的基本原理逻辑地址段表地址转换由段号和段内偏移组成记录段基址和段长度物理地址段基址段内偏移=+反映程序的逻辑结构用于地址转换和越界检查需要验证偏移量不超过段长段页式存储管理方式分段先按程序逻辑结构分段分页再将每段划分为固定大小的页段表和页表段表项指向对应的页表虚拟存储器概述扩充内存容量磁盘空间协作提供比物理内存更大的地址空间部分数据暂存于外存对用户透明按需调页用户感知不到内外存的交换过程程序执行时动态调入所需内容虚拟存储器的特征多次性对换性虚拟性无需一次性全部装入内存与外存间动态调用户感知的内存空间内存度数据大于实际物理内存独立性进程使用的地址空间相互独立虚拟存储器的实现方法请求分页存储管理请求分段存储管理按需调页，页面是基本调度单按需调段，段是基本调度单位位请求段页式存储管理结合两种方式的优点请求分页存储管理执行指令1访问逻辑地址CPU页表查询检查页面是否在内存缺页中断页面不在内存时触发调页从外存调入所需页面页面置换算法算法OPT1∞最优页面置换算法选择原则理论上最佳的置换策略置换最长时间不会被访问的页面0实现难度需要预知进程的未来行为，实际无法实现页面置换算法算法FIFO进入队列新页面加入队尾等待页面在队列中逐渐前移置换需要置换时选择队首页面页面置换算法算法LRU最近使用刚被访问的页面中等时间较长时间未访问的页面最久未使用最长时间未被访问的页面，优先被置换页面置换算法算法Clock页面访问指针扫描访问页面时，将访问位置为需要置换时，指针顺序扫描页面1重置访问位检查访问位访问位为则置，继续扫描访问位为则选中置换100请求分段存储管理段的调度缺段中断段的置换以段为单位在内外存间调度访问不在内存的段时发生需要考虑段的大小不等特性根据程序逻辑结构进行调度类似于缺页中断机制置换策略更为复杂分段的共享与保护段级保护地址检查为每段设置访问权限只读、确保段内偏移不超过段长度读写等段共享多个进程的段表项指向同一物理段内存保护机制界限寄存器保护键限制进程访问的地址范围为存储块分配保护键，控制访问权限存储保护位在页表或段表中设置保护位内存共享技术共享代码多进程共享只读程序代码共享库动态链接库在多进程间共享共享数据进程间通信使用的共享内存区域内存空间的扩充覆盖技术常驻区程序执行过程中一直驻留在内存中的部分覆盖区1与其他覆盖区互斥，按需调入内存覆盖区2不同时刻调入不同的覆盖块内存空间的扩充交换技术进程执行A1占用内存空间交换出2进程被换出到磁盘A进程执行B3占用内存空间交换入4进程再次被换入内存A内存分配策略分配时机分配对象何时为进程分配内存空间确定分配内存的基本单位分配方式分配位置连续分配还是非连续分配在物理内存中的具体位置内存分配算法算法名称选择策略优点缺点首次适应第一个足够简单快速容易产生外大的空闲区部碎片最佳适应最小的足够节约空间查找开销大大空闲区最坏适应最大的空闲避免小碎片大空闲区迅区速减少抖动现象及其解决方案抖动现象解决方案系统过多时间用于页面调度控制多道程序的数量进程实际执行时间占比极低采用局部置换策略利用率急剧下降增加物理内存容量CPU使用工作集模型工作集模型工作集窗口最近访问的页面集合工作集大小窗口中不同页面的数量内存分配根据工作集大小分配足够的页框局部性原理时间局部性空间局部性循环局部性最近访问过的数据可能很快再次访访问某个数据后可能会访问其附近循环中的指令被重复多次执行问数据内存映射文件文件映射请求进程请求将文件映射到地址空间建立映射关系操作系统创建虚拟地址到文件的映射按需加载访问时才将文件内容加载到物理内存同步更新修改后的内容自动写回文件虚拟内存管理的硬件支持地址转换硬件（内存管理单元）MMU快表（转换后备缓冲器）TLB页表基址寄存器存储页表的起始地址状态位存在位、修改位、访问位等缓存存储器管理寄存器CPU速度最快，容量最小高速缓存速度快，容量适中主存速度较慢，容量较大外存速度最慢，容量最大高速缓存（）原理Cache请求数据CPU发出内存访问请求缓存检查查找数据是否在缓存中缓存命中数据在缓存中，直接返回缓存缺失数据不在缓存中，从内存加载映射方式Cache直接映射每个内存块只能映射到特定缓存行全相联映射内存块可映射到任意缓存行组相联映射结合两种方式的优点替换算法Cache12随机替换先进先出FIFO随机选择一个缓存行替换替换最早进入缓存的数据3最近最少使用LRU替换最长时间未访问的数据写操作策略写直达写回Write-Through Write-Back同时写入缓存和内存仅写入缓存，标记脏位保证数据一致性替换时才写回内存写操作较慢写操作更快文件系统与存储管理的关系文件系统缓冲区管理管理外存上的文件组织与访问内存中临时存放文件数据外存管理内存管理负责磁盘空间的分配与回收为文件操作分配内存空间外存分配方式链接分配用指针链接不连续的磁盘块连续分配索引分配文件占用连续的磁盘块通过索引表记录文件的磁盘块位置13连续分配方式基本特点优点文件存储在连续的磁盘块中支持顺序访问和随机访问，实现简单缺点文件增长困难，产生外部碎片链接分配方式第一块包含数据和下一块指针第二块指向下一个磁盘块第三块指向下一个磁盘块最后一块文件结束标记索引分配方式索引表多级索引混合索引记录文件的所有磁盘块位置处理大文件的索引方案结合直接、间接和多级索引每个表项指向一个磁盘块间接索引块指向其他索引块如的结构UNIX inode文件存储空间管理记录空闲块维护未分配磁盘块的信息分配空闲块2文件创建或扩展时分配空闲块回收空闲块3文件删除后回收磁盘空间磁盘碎片整理重组磁盘内容以合并空闲空间空闲表法起始块号连续空闲块数12882561686432102464空闲链表法空闲块1指向下一个空闲块空闲块2包含指针信息空闲块3链接其他空闲块空闲块n链表结束标记位示图法成组链接法超级块1存储首组空闲块的信息组块2记录下一组空闲块的位置和数量空闲块3可直接分配给文件使用新型存储技术简介固态硬盘云存储SSD NVMe基于闪存，无机械非易失性内存快速基于网络的弹性存部件，高速读写接口标准储服务持久内存兼具内存速度和存储持久性与存储技术SSD NVM特性特性存储管理影响SSD NVM随机访问速度快非易失性存储传统分配算法需要调整无噪音、抗震动接近内存访问速度提供新的优化空间写入寿命有限字节级寻址能力模糊内存与存储界限存储管理性能优化访问速度优化缓存优化、预取技术空间利用率优化碎片整理、内存压缩负载均衡多级存储调度、热点数据迁移能耗优化动态功耗管理、休眠技术存储管理未来发展趋势存内计算异构存储在存储设备内部执行计算操作不同特性存储设备的智能协作智能内存管理量子存储基于机器学习的动态优化策略利用量子特性的高密度存储技术课程总结与回顾基础概念地址空间、映射、保护与共享内存管理技术2连续与非连续分配、虚拟内存关键算法3分配算法、置换算法、缓存优化技术发展新型存储介质与未来趋势。