1、,第9讲 物理内存管理： 连续内存分配,授课教师：马立平 联系方式：,Southwest University of Science and Technology,内容摘要,计算机体系结构/内存层次,连续内存分配,计算机体系结构,内存层次,操作系统的内存管理方式,地址空间 & 地址生成,伙伴系统,Southwest University of Science and Technology,I/O设备,总线,计算机体系结构,Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals,CPU,内存,Southwest University
2、 of Science and Technology,内存层次,高速缓存未命中,内存,缺页,外存(虚拟内存),操作系统,硬件 (MMU),Southwest University of Science and Technology,操作系统的内存管理,Southwest University of Science and Technology,操作系统的内存管理方式,分段(segmentation),分页(paging),Southwest University of Science and Technology,内存管理方式,操作系统中采用的内存管理方式,重定位(relocation),分段
3、(segmentation),分页(paging),虚拟内存(virtual memory), 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟内存,实现高度依赖硬件,与计算机存储架构紧耦合,MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件,Southwest University of Science and Technology,内容摘要,计算机体系结构/内存层次,连续内存分配,地址空间的定义,地址生成,地址检查,地址空间 & 地址生成,伙伴系统,Southwest University of Science and Technology,地址空间定义,Southwest Unive
4、rsity of Science and Technology,逻辑地址生成,prog P:foo(): end P,P: push . inc SP, x jmp _foo: foo: .,编译,汇编,链接,程序加载,(重定位),Southwest University of Science and Technology,地址生成时机和限制,Southwest University of Science and Technology,地址生成过程,ALU：需要逻辑地址的内存内容,MMU：进行逻辑地址和物理地 址的转换,CPU控制逻辑：给总线发送物理 地址请求,物理地址生成,总线,内存,I/O
5、设备,movl %eax, $0xfffa620e,地址映射 逻辑地址物理地址,CPU,Southwest University of Science and Technology,地址检查,movl %eax, $0xfffa620e,0,MAXsys,1000,1500,进程 P的 物理 地址 空间,0,MAXprog,段基址 寄存器,逻辑 地址,段长度 寄存器,内存异常,物理 地址,指令,yes,no,500,1000,进程P 逻辑地址空间,CPU,操作系统 设置起始(base)和最大(limit)逻辑地址空间,+,Southwest University of Science and
6、Technology,内存管理方式,操作系统中采用的内存管理方式,重定位(relocation),分段(segmentation),分页(paging),虚拟内存(virtual memory), 目前多数系统(如 Linux)采用按需页式虚拟内存,实现高度依赖硬件,与计算机存储架构紧耦合,MMU (内存管理单元): 处理CPU存储访问请求的硬件,Southwest University of Science and Technology,计算机体系结构/内存层次 地址空间 & 地址生成 连续内存分配内存碎片动态分配 最先匹配 最佳匹配 最差匹配碎片整理,内容摘要,伙伴系统,Southwest
7、 University of Science and Technology,连续内存分配和内存碎片,Southwest University of Science and Technology,连续内存分配：动态分区分配,最先匹配(First-fit),最佳匹配(Best-fit),最差匹配(Worst-fit),Southwest University of Science and Technology,思路： 分配n个字节，使用第一个可用的空间比n大的空闲块。,示例： 分配400字节，使用第一个1KB的空闲块。,为空闲块,500 bytes,2K bytes,最先匹配(First Fit
8、Allocation)策略,1K bytes,Southwest University of Science and Technology,最先匹配(First Fit Allocation)策略,分配过程时，搜索一个合适的分区,释放分区时，检查是否可与临近的空闲分区合并,Southwest University of Science and Technology,500 bytes,1K bytes,2K bytes,最佳匹配(Best Fit Allocation)策略,思路： 分配n字节分区时， 查找并使用不小于n的最小空闲分区,示例： 分配400字节， 使用第3个空闲块(最小),为空闲
9、块,Southwest University of Science and Technology,分配时，查找一个合适的分区, 可避免大的空闲分区被拆分, 可减小外部碎片的大小,释放时，查找并且合并临近的空闲分区（如果找到）, 相对简单,最佳匹配(Best Fit Allocation)策略,Southwest University of Science and Technology,1K bytes,最差匹配(Worst Fit Allocation)策略,思路： 分配n字节，使用尺寸不小于n的最大空闲分区,示例： 分配400字节，使用第2个空闲块（最大）,500 bytes,1K byte
10、s,2K bytes,为空闲块,Southwest University of Science and Technology,最差匹配(Worst Fit Allocation)策略,分配时，选最大的分区,释放时，检查是否可与临近的空闲分区合并，进行可能的合并，并调整空闲分区列表顺序,Southwest University of Science and Technology,计算机体系结构/内存层次 地址空间 & 地址生成 连续内存分配内存碎片动态分配碎片整理 紧凑（compaction） 分区对换(swap in/out),内容摘要,伙伴系统,Southwest University of
11、 Science and Technology,碎片整理：紧凑(compaction),Southwest University of Science and Technology,碎片整理：分区对换(Swapping in/out),通过抢占并回收处于等待状态进程的分区，以增大可用内存空间,P1,P2,P3,P4,Southwest University of Science and Technology,碎片整理：分区对换(Swapping in/out),操作系统内核,用户地址空间,进程p1,进程p2, 换入, 换出,内存,外存, 需要解决的问题交换哪个（些）程序？,Southwest
12、University of Science and Technology,伙伴系统伙伴系统的实现ucore中的伙伴系统,计算机体系结构/内存层次 地址空间 & 地址生成 连续内存分配,内容摘要,Southwest University of Science and Technology,伙伴系统(Buddy System), 整个可分配的分区大小2U, 需要的分区大小为2U-1 s 2U 时，把整个块分配给该进程；,如s 2i1，将大小为2i 的当前空闲分区划分成两个大小为2i1 的空闲分区,重复划分过程，直到2i-1 s 2i，并把一个空闲分区分配给该进程,Southwest Univers
13、ity of Science and Technology,伙伴系统的实现, 数据结构,空闲块按大小和起始地址组织成二维数组, 分配过程,由小到大在空闲块数组中找最小的可用空闲块,如空闲块过大，对可用空闲块进行二等分，直到得到合适的可用空闲块,初始状态：只有一个大小为2U的空闲块,Southwest University of Science and Technology,伙伴系统中的内存分配,Request 100K,512K,256K,128K,A=128K,B=256K,C=64K,64K,D=256K,256K,256K,128K,E=128K,128K,256K,512K,512K,
14、1M,Request 100K,Request 240K,Request 64K,Request 256K,Release B,Release A,Request 75K,Release C,Release E,Release D,Southwest University of Science and Technology,伙伴系统的实现, 合并条件,大小相同2i,http:/en.wikipedia.org/wiki/Buddy_memory_allocation,地址相邻,低地址空闲块起始地址为2i1的位数,Southwest University of Science and Techn
15、ology,ucore中的物理内存管理,struct pmm_manager const char *name;void (*init)(void);void (*init_memmap)(struct Page *base, size_t n);struct Page *(*alloc_pages)(size_t order);void (*free_pages)(struct Page *base, size_t n);size_t (*nr_free_pages)(void);void (*check)(void); ;,struct pmm_manager const char *na
16、me;void (*init)(void);void (*init_memmap)(struct Page *base, size_t n);struct Page *(*alloc_pages)(size_t order);void (*free_pages)(struct Page *base, size_t n);size_t (*nr_free_pages)(void);void (*check)(void); ;,Southwest University of Science and Technology,ucore中的伙伴系统实现,const struct pmm_manager
17、buddy_pmm_manager = .name = “buddy_pmm_manager“,.init = buddy_init,.init_memmap = buddy_init_memmap,.alloc_pages = buddy_alloc_pages,.free_pages = buddy_free_pages,.nr_free_pages = buddy_nr_free_pages,.check = buddy_check, ;,const struct pmm_manager buddy_pmm_manager = .name = “buddy_pmm_manager“,.init = buddy_init,.init_memmap = buddy_init_memmap,.alloc_pages = buddy_alloc_pages,.free_pages = buddy_free_pages,.nr_free_pages = buddy_nr_free_pages,.check = buddy_check, ;,Southwest University of Science and Technology,
