存储管理归纳

存储管理归纳

在计算机系统中，存储管理是一个至关重要的环节，它负责对计算机的内存资源进行有效的分配、回收和保护，以确保程序的正确运行和系统的性能优化，以下是对存储管理的详细归纳：

一、存储管理的功能

1、内存空间的分配与回收

分配：当多个程序并发执行时，存储管理需要为它们分配合适的内存空间，这涉及到根据程序的大小、类型（如系统程序或用户程序）以及运行时的需求等因素，采用合适的分配策略，如首次适应算法（First Fit）、最佳适应算法（Best Fit）、最坏适应算法（Worst Fit）等，将内存空间分配给各个程序，首次适应算法会从内存的低地址开始，依次查找足够大的空闲区来满足程序的内存需求，找到第一个满足条件的空闲区后就进行分配。

回收：当程序运行结束或不再需要某些内存空间时，存储管理要负责回收这些内存，以便重新分配给其他程序使用，回收过程需要准确地标记出可回收的内存区域，并更新内存分配表等相关数据结构。

2、地址转换

在多道程序系统中，程序通常以逻辑地址（相对地址）进行编写，而实际在内存中运行时使用的是物理地址，存储管理需要进行地址转换，将逻辑地址转换为物理地址，这一过程通过硬件和软件相结合的方式实现，如在分页存储管理系统中，通过页表来实现逻辑地址到物理地址的转换，页表记录了每个页面对应的物理块号，当程序访问某个逻辑地址时，通过页表查询可以得到相应的物理地址，从而实现正确的内存访问。

3、内存保护

为了防止一个程序对其他程序或系统的内存区域进行非规访问和干扰，存储管理提供了内存保护机制，在分段存储管理系统中，每个段都有自己的段限长和存取方式等信息，通过这些信息可以判断程序对某个内存段的访问是否合法，如果程序试图访问未授权的内存段，存储管理系统会产生保护性中断，阻止程序的非规操作，从而保证系统的安全稳定运行。

4、提高内存利用率

通过合理的内存分配策略和数据结构设计，存储管理尽量减少内存碎片的产生，提高内存的利用率，采用紧凑技术（Compaction），将分散的小空闲区合并成较大的连续空闲区，以便能够分配给需要较大内存空间的程序，还可以采用覆盖技术（Overlay），让一些不同时运行的程序共享同一内存区域，进一步提高内存的使用效率。

二、常见的存储管理方式

存储管理方式	原理	优点	缺点
单一连续存储管理	将内存分为系统区和用户区，系统区由操作系统占用，用户区用于存放一个用户程序，程序装入内存后，其在内存中的位置是固定不变的。	实现简单，不需要复杂的地址转换机制，访问速度快。	只能运行一个程序，内存利用率低，程序之间切换不便。
固定分区存储管理	将内存划分为若干个固定大小的分区，每个分区可以独立地装入一个程序。	分区大小固定，便于管理和分配，可以减少外部碎片的产生。	分区大小难以确定，容易产生内部碎片，内存利用率不高。
可变分区存储管理	根据程序的实际大小动态地划分内存分区，每个分区的大小正好等于程序所需的内存空间。	能够充分利用内存空间，减少碎片，提高了内存利用率。	分配和回收算法复杂，容易产生外部碎片，地址转换需要额外的开销。
分页存储管理	将内存划分为等大小的页面，程序也以页面为单位进行存储和访问，每个页面有固定的编号，通过页表建立逻辑地址到物理地址的映射关系。	页面大小固定，便于管理和分配，有利于实现内存的共享和保护，有效地减少了内存碎片。	需要额外的页表空间和地址转换开销，可能会产生页面抖动现象（即频繁地进行页面换入换出操作）。
分段存储管理	按照程序的逻辑结构将内存划分为若干个段，每个段具有独立的意义，如代码段、数据段、堆栈段等，每个段有自己的基址和长度，通过段表进行地址转换。	便于程序的设计和调试，易于实现对程序的动态增长和共享，对不同类型的数据可以采用不同的保护方式。	地址转换复杂，需要较大的段表空间，可能会产生外部碎片。
段页式存储管理	结合了分段和分页的特点，先将内存划分为若干个段，每个段再划分为若干个页面，程序以段页式的方式进行存储和管理，既具有分段的逻辑独立性，又具有分页的灵活性。	兼具分段和分页的优点，能够有效地提高内存利用率，方便程序的共享和保护，同时也便于实现多道程序的并发执行。	实现复杂，需要同时维护段表和页表，增加了系统的开销。

三、存储管理的性能指标

1、命中率

在分页或分段存储管理系统中，命中率是指程序在执行过程中，访问内存时能够在内存中找到所需页面或段的比例，命中率越高，说明存储管理系统的效率越高，程序的运行速度越快，影响命中率的因素包括页面或段的大小、程序的局部性、分配策略等，如果程序具有良好的时间和空间局部性，即刚刚访问过的页面或段在不久的将来很可能会再次被访问，那么采用合适的预取策略可以提高命中率。

2、内存利用率

内存利用率是指实际使用的内存空间与总内存空间的比例，较高的内存利用率意味着系统能够更有效地利用有限的内存资源，运行更多的程序，不同的存储管理方式对内存利用率有不同的影响，例如可变分区存储管理和分页存储管理相对于固定分区存储管理可以提高内存利用率，因为它们能够根据程序的实际大小动态地分配内存空间。

3、开销

存储管理的开销包括时间开销和空间开销，时间开销主要是指地址转换、内存分配和回收等操作所花费的时间；空间开销则是指用于存储管理的数据结构（如页表、段表等）所占用的内存空间，在选择存储管理方式时，需要在性能和开销之间进行权衡，以找到最适合系统需求的方案。

FAQs：

问题 1：什么是虚拟存储器？它与物理存储器有什么关系？

答：虚拟存储器是一种基于计算机系统的存储管理技术，它通过使用磁盘等辅助存储设备来扩展内存的空间，使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间，虚拟存储器将逻辑地址空间与物理地址空间分离开来，程序在运行时可以认为自己拥有一个连续的、巨大的内存空间，但实际上只有部分内容会被调入物理内存中执行，当程序访问的页面或段不在物理内存时，会发生缺页中断或缺段中断，此时操作系统会将所需的页面或段从磁盘调入物理内存，以保证程序的正常运行，虚拟存储器与物理存储器相互配合，既可以扩大程序的可运行空间，又能在一定程度上提高内存的利用率和系统的并发度。

问题 2：为什么会产生内存碎片？如何减少内存碎片？

答：内存碎片是指在内存分配和回收过程中，由于分配算法和程序运行的特点等原因，导致内存中出现一些不连续的、无法有效利用的小空闲区域，产生内存碎片的主要原因包括：分配算法不合理，例如只采用首次适应算法可能会导致大量的小空闲区分散在内存中；程序的动态增长和释放，使得原本连续的空闲区被分割成多个小块；不同程序对内存大小的需求差异较大等，为了减少内存碎片，可以采取以下措施：选择合适的分配算法，如采用最佳适应算法或最坏适应算法等，尽量使空闲区集中；定期进行内存整理，将分散的小空闲区合并成较大的连续空闲区；采用紧凑技术，将正在运行的程序紧凑地排列在内存中，释放出较大的连续空闲区供新程序使用。

小编有话说：存储管理作为计算机系统的核心功能之一，其复杂性和重要性不言而喻，了解不同的存储管理方式及其特点、性能指标等，有助于我们更好地理解计算机系统的运行机制，并且在实际应用中能够根据具体的需求选择合适的存储管理策略，以提高系统的性能和资源利用率，无论是在操作系统的开发还是在日常的计算机应用中，对存储管理的深入研究都有着重要的意义，它将不断推动计算机技术的发展，为我们的数字化生活提供更强大的支持。