当前课程知识点：操作系统(RISC-V) > 第五讲 物理内存管理: 非连续内存分配 > 5.1 非连续内存分配的需求背景 > 5.1 非连续内存分配的需求背景
各位同学大家好
今天我们来讲非连续存储分配
在前面我们讲到的连续内存分配中
要给一个进程分配内存
那必须分配物理地址
连续的一块内存区域
这给分配带来了很多的麻烦
你比如说用户想要一块区域
而在内存当中呢又没有
满足这个大小的连续区域
那这个分配就会失败
基于这种现状 那提出了一种需求
说我们是否可以不连续
分配的内存空间不连续
好 不连续呢 当然是说
我可以找到它的机率会更高
但这时候也会面临一些新的麻烦
说我不连续之后我把哪些内容
我是任意一个最小的单位
一个字节就可以算成一个区域
还是说我会受到一些限制
那这个时候你这个分配到
一个字节为一个单位太短了
基于这种情况呢
我们会选择不同的尺度来说
我这个非连续内存分配我能每一块
基本的块会有多大
基于这种基本块大小的不同呢
在我们这里有两种
一种是段式 一种是页式
那段式呢分的块比较大
页式呢分的块比较小
分的块小了之后呢
我这两者之间的对应关系
就会从逻辑地址到物理地址的
对应关系就会变得比较复杂
好 因为这个缘故
所以我们这种对应关系呢
就形成我们这里说到的页表
好 还有一种方式是说
我是不是可以
把这两种方式结合起来
那这就是我们这里的段页式
首先呢我们来讲非连续内存分配的需求
那在连续分配的缺点当中
我们说你要求必须连续
这一条很难达到
好即使能达到
在分配回收的过程当中
里头也会有内碎片 外碎片
好 如果说一个程序
在执行的过程当中
它需求的内存空间大小又有变化
好 那这种变化呢就导致
你很难进行动态的增加或者说减少
这样最后的结果呢就是
我们内存的利用效率比较低
原因在于用户应用进程的需求
你没有办法满足
好 针对这种情况
我们非连续内存分配
那这时候要达到的目标呢
就希望能够提高利用效率
提高它的管理的灵活性
具体说起来呢有这样几条
第一个我希望分配的空间
不再是有连续性的要求
好 这样的话我找着你的
要的大小的区域的机率呢就会提高
第二个呢是说我们在用的过程当中
每个进程它都要执行代码
这些进程之间有很多代码是共同的
那各个进程
也会用到一些数据是共用的
我们希望通过共享数据和代码
实现减少内存的使用量
也就是说我们在这里头
两个应用进程都要用到同一个函数库
那我把这个函数库的代码放到内存之后
如果它们两个都能访问的话
能够实现共享
那这样的话我占用的内存区域
不就变少了吗
好 第三个是说我们希望能够变得灵活
那我在这里头是不是分小了之后
我想再要的时候我再给它加一块
或者说其中某一块的大小的动态变化
有了这些之后呢 我们就可以很方便的
能够支持动态加载和动态链接
好 这是这个目标已经说完了
好像说起来这个目标很好
但是这在实现的时候
是会面临很多麻烦的
首先第一个麻烦就是我们这里说到的
虚拟地址到物理地址的转换
那程序里头在实现的时候
那它希望是说我给你一个地址
然后告诉你
你要告诉我
它存在物理内存的什么地方
这种转换呢如果它是连续的
我只需要知道它的起头在哪
剩下的问题就都在
这一个进程的区域里了
好 那如果现在不连续了
那这时候这个转换呢
就有可能是说你在哪一段逻辑地址
你转换的区域在内存里的一个地方
而逻辑地址的另一段
你在这边是连续的
到那边可能要转到另外一块区域里头去
这两种区域的不同就会导致
我在这里这个转换的过程会比较复杂
好这种转换的复杂呢
我们在实际实现的时候呢
怎么来做呢 这里又有两种选择
一种是用软件来实现
比如说我要往内存里存数据
像一个排序程序
那由于我没有办法事先确定
我要排序的数据的总量
这时我给它分配
多大的存储空间都有不合适的情况
那我们会说在数据结构里学会有什么办法
说我们在这里头可以先读一部分进来
排完之后放到硬盘上去
然后再读一部分进来
排完之后放到硬盘上去
那这时候呢
最后我再把排好的再重新捋一遍
那这就是数据结构里说到的外排序
那这种办法呢也可以用到
操作系统里的内存分配上来
如果说你的代码空间存不下
把所有的代码存内存里存不下的话
那这时候我们可以说把其中的
当前要执行的代码放到内存里头
把另外一部分代码呢放到硬盘上去
那这时候说这个倒怎么来做呢
可以由软件来做
也跟我们刚才说的
数据外排序类似的办法
那这种做法是
我们通过你的操作系统软件
或者说甚至于是应用软件来干这事
另一种做法呢是硬件实现
如果你要想用硬件来实现的话
原因在于 我们现在
做的地址转换过于频繁
基本上是说你每执行一条指令
都会去访问内存 那都要做成转换
这时候用硬件来实现呢
它的效果是比较好的 开销比较小
而且这个转换相对来说
它要计算的过程
是比较简单的重复
好 这样也适合于用硬件来实现
好 那有了这个实现之后
说还有一个啥问题呢
还有一个问题是说
我们在这里头
要把这个进程分配的内存
放到不连续的地方
那我每一块大小有多大
那简单来讲你可能会说
要多大我给多大就完了
那这时候是你连续的那样一块
我分成小块之后
我可以分成什么样的小块
这时 我们前面连续分配里说到的
内碎块 外碎块这些问题是否还存在
好 这种分配的不同会导致
这非连续内存分配的办法有很大的区别
这里呢 我们有大致有两类办法
一类叫做段式存储 一类叫做页式存储
简单来说这两者区别就是
段式存储分的块比较大
它以一个段作为一个基本的单位
那你在分配的时候
这一个段的内容
必须在物理内存里是连续的
不同段之间呢是可以放到不同地方的
这是段式 页式呢
我就把它分成更小的块
这个块的名字叫做页
好 那你在分配的时候
就是以页为单位来分配
页与页之间呢是不连续的
好 那由于这两者分配的情况的不同
那实际上它在实现的时候
会有很大的区别
这些区别呢 会落实到我们后面讲到的
段式存储管理和页式存储管理的实现细节
好 有了这些描述之后
那我们就可以来具体讨论说
我的段式和页式到底是怎么实现的
-1.1 课程概述
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-1.2 教学安排
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-1.3 什么是操作系统
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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统
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-1.5 操作系统实例
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-1.6 操作系统的演变
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-1.7 操作系统结构
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-1.8 OS实验概述
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-2.1 从OS角度看计算机系统
-2.2 从OS角度看RISC-V
-2.3 Rust语言与系统编程
-2.4 RISC-V CPU启动
-2.5 RISC-V CPU启动进一步分析
-3.1 基本概念与原理
-3.2 硬件架构支持
-3.3 中断处理机制
-3.4 系统调用
--3.4 系统调用
-4.1 计算机体系结构和内存层次
-4.2 地址空间和地址生成
-4.3 连续内存分配
-4.4 碎片整理
--4.4 碎片整理
-4.5 伙伴系统
--4.5 伙伴系统
-4.6 SLAB分配器
-5.1 非连续内存分配的需求背景
-5.2 段式存储管理
-- 5.2 段式存储管理
-5.3 页式存储管理
-5.4 页表概述
--5.4 页表概述
-5.5 快表和多级页表
-5.6 RISC-V页映射机制
-5.7 使能RISC-V页表
-6.1 虚拟存储的需求背景
-6.2 覆盖和交换
-6.3 局部性原理
-6.4 虚拟存储概念
-6.5 虚拟页式存储
-6.6 缺页异常
--6.6 缺页异常
-6.7 RISC-V缺页异常
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-7.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法
-7.3 时钟置换算法和最不常用算法
-7.4 Belady现象和局部置换算法比较
-7.5 页表自映射
-8.1 工作集置换算法
-8.2 缺页率置换算法
-8.3 抖动和负载控制
-8.4 面向缓存的页替换算法
-9.1 进程的概念
-9.2 进程控制块
-9.3 进程状态
--9.3 进程状态
-9.4 三状态进程模型
-9.5 挂起进程模型
-9.6 线程的概念
-9.7 用户线程
--9.7 用户线程
-9.8 内核线程
--9.8 内核线程
-9.9 进程地址空间与熔断 (meltdown) 漏洞
-10.1 进程切换
-10.2 进程创建
-10.3 进程加载
-10.4 进程等待与退出
-10.5 rCore进程和线程控制
-11.1 处理机调度概念
-11.2 调度准则
-11.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
--11.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
-11.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
--11.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
-11.5 实时调度
-11.6 优先级反置
-11.7 rCore调度框架
-12.1 对称多处理与多核架构
-12.2 多处理器调度概述
-12.3 O(1)调度
-12.4 CFS调度
-12.5 BFS调度算法
-13.1 背景
--13.1 背景
-13.2 现实生活中的同步问题
-13.3 临界区和禁用硬件中断同步方法
-13.4 基于软件的同步方法
-13.5 高级抽象的同步方法
-14.1 信号量
--14.1 信号量
-14.2 信号量使用
-14.3 管程
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-14.4 哲学家就餐问题
-14.5 读者-写者问题
-14.6 Rust语言中的同步机制
-15.1 死锁概念
-15.2 死锁处理方法
-15.3 银行家算法
-15.4 死锁检测
-15.5 并发错误检测
-16.1 进程通信概念
-16.2 信号和管道
-16.3 Linux信号机制
-16.4 消息队列和共享内存
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-16.6 Binder机制
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-17.2 文件描述符
-17.3 目录、文件别名和文件系统种类
-17.4 虚拟文件系统
-17.5 文件缓存和打开文件
-17.6 文件分配
-17.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID
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-19.5 Linux I/O子系统
-20.1 Linux内核错误分析
-20.2.1 用rust写操作系统-系统编程语言rust
--20.2.1 用rust写操作系统-系统编程语言rust
-20.2.2 用rust写操作系统-rust与操作系统开发
--20.2.2 用rust写操作系统-rust与操作系统开发
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-21.2 Futures in Rust
-21.3 Generators and async/await
--21.3 Generators and async/await
-21.4 Self-Referential Structs & Pin
--21.4 Self-Referential Structs & Pin
-21.5 Waker and Reactor
-22.1 Overview
-22.2.1 How VMM works - CPU
-22.2.2 How VMM works - memory & I/O
