存储管理实验的视频

解析

一、实验背景与目的

在计算机系统中，存储管理是操作系统的核心功能之一，它负责对内存资源进行有效的分配与回收，确保多个程序能够在有限的内存空间中并发运行，本次存储管理实验旨在通过实际操作，深入理解不同存储管理方式（如单一连续分配、固定分区分配、可变分区分配、分页式存储管理、分段式存储管理以及段页式存储管理）的原理、实现过程及其优缺点，提升学生对操作系统存储管理机制的掌握程度和实践能力。

二、实验环境与工具

硬件环境：普通 PC 机，配备一定容量的内存和硬盘。

软件环境：操作系统（如 Windows 或 Linux），编程语言（如 C 语言），集成开发环境（如 Visual Studio 或 GCC 编译器）。

三、实验内容与步骤

（一）单一连续分配

1、原理讲解

单一连续分配是一种最简单的存储管理方式，它将内存分为系统区和用户区，系统区由操作系统占用，用户区则分配给一个作业使用，直到作业完成才释放内存。

2、代码实现

定义内存大小和作业大小的数据结构。

编写函数来模拟内存分配和作业执行过程，当有新作业到达时，检查内存是否足够，若足够则分配内存并执行作业，否则提示内存不足。

3、实验结果与分析

通过运行程序，观察到当内存大小小于作业总和时，后续作业无法得到内存分配，体现了单一连续分配方式内存利用率较低且缺乏灵活性的缺点。

作业编号	作业大小	内存分配情况	执行结果
1	50KB	成功分配，正在执行	执行成功
2	80KB	成功分配，正在执行	执行成功
3	60KB	内存不足，分配失败	等待

（二）固定分区分配

1、原理讲解

固定分区分配将内存预先划分为若干个固定大小的区域，每个区域可以独立地分配给一个作业，作业只能在其对应的分区内运行。

2、代码实现

初始化固定分区表，记录每个分区的起始地址、大小和状态（空闲或已分配）。

编写内存分配函数，根据作业大小查找合适的空闲分区，若找到则更新分区表为已分配状态，并返回分区起始地址；若未找到则提示内存不足。

编写内存回收函数，当作业执行完毕后，将其所占分区的状态置为空闲。

3、实验结果与分析

这种方式提高了内存的利用率，但由于分区大小固定，仍可能造成某些分区内部空间浪费，且不利于程序的动态扩展，一个小作业可能会占用一个大分区，导致其他大作业因没有足够的连续空间而无法分配内存。

（三）可变分区分配

1、原理讲解

可变分区分配根据作业的实际大小动态地分配内存，不预先划分固定的分区，它通过合并相邻的空闲区来避免碎片，提高内存利用率。

2、代码实现

维护空闲区链表，每个节点包含起始地址、大小和后继指针。

内存分配时，遍历空闲区链表，采用首次适应算法（或其他算法如最佳适应算法、最坏适应算法）寻找第一个满足作业大小要求的空闲区，将其拆分为已分配区和剩余空闲区，并更新链表。

内存回收时，将回收的分区与前后相邻的空闲区合并（若有）。

3、实验结果与分析

可变分区分配能够更有效地利用内存空间，减少碎片的产生，但算法复杂度相对较高，尤其是在频繁分配和回收内存时，链表的操作可能会导致一定的性能开销。

（四）分页式存储管理

1、原理讲解

分页式存储管理将进程的逻辑地址空间划分为若干个固定大小的页面，将内存物理空间也划分为相同大小的页框，进程的页面可以映射到内存中的任何页框，通过页表来实现逻辑地址到物理地址的转换。

2、代码实现

定义页表结构，包括页号、帧号和有效位等字段。

编写地址转换函数，根据逻辑地址中的页号查找页表，得到对应的帧号，然后计算出物理地址。

处理缺页中断，当访问的页面不在内存时，触发缺页中断处理程序，从磁盘调入所需页面到内存空闲页框中，并更新页表。

3、实验结果与分析

分页式存储管理实现了离散分配内存，便于内存的共享和保护，同时也能有效解决碎片问题，但由于需要额外的页表空间和地址转换开销，会在一定程度上影响系统性能。

（五）分段式存储管理

1、原理讲解

分段式存储管理将进程的逻辑地址空间按照程序的逻辑结构划分为若干个段，如代码段、数据段、堆栈段等，每个段具有特定的功能和访问权限，段的长度可变。

2、代码实现

建立段表，记录每个段的基址、长度和存取方式等信息。

根据逻辑地址中的段号查找段表，得到段的基址，再加上段内偏移量即可得到物理地址。

对不同的段设置不同的访问权限，如只读、读写等，以确保程序的安全性和正确性。

3、实验结果与分析

分段式存储管理方便了程序的模块化设计和调试，易于实现对程序的保护和共享，但由于每个段的大小可变，可能会导致内存分配和管理较为复杂，且容易产生外部碎片。

（六）段页式存储管理

1、原理讲解

段页式存储管理结合了分段式和分页式存储管理的优点，先将进程的逻辑地址空间划分为段，再将每个段划分为页面，这样既便于程序的模块化设计，又能有效地利用内存和减少碎片。

2、代码实现

维护段表和页表两级数据结构，段表中记录段的信息和该段对应的页表起始地址；页表中记录页面的帧号和有效位等信息。

地址转换过程先根据逻辑地址中的段号查找段表得到页表起始地址，再根据页号在页表中找到帧号，最后计算出物理地址。

3、实验结果与分析

段页式存储管理提供了更好的灵活性和内存利用率，但实现较为复杂，需要更多的硬件支持和软件开销来维护两级表格结构。

四、实验归纳

通过本次存储管理实验，对各种存储管理方式有了较为深入的理解和实践操作经验，不同的存储管理方式各有优缺点，适用于不同的应用场景，在实际的操作系统设计中，需要综合考虑系统的资源需求、性能要求等因素来选择合适的存储管理策略，实验过程中也锻炼了编程能力、问题解决能力和对操作系统底层原理的理解能力。

五、FAQs

问题 1：在可变分区分配中，如果采用最佳适应算法而不是首次适应算法，会有什么不同？

答：最佳适应算法会选择所有空闲区中能够满足作业大小且最小的那个分区进行分配，相比首次适应算法，最佳适应算法可能会找到更合适的分区，从而减少内存的浪费，但算法复杂度较高，因为它需要遍历所有的空闲区来找到最佳的那一个，而首次适应算法则是找到第一个满足条件的空闲区就进行分配，速度相对较快，但可能会导致较大的分区被小作业占用，从而产生更多的碎片。

问题 2：分页式存储管理中，如果发生缺页中断，除了从磁盘调入页面外，还可以采取哪些措施来优化系统性能？

答：除了从磁盘调入页面外，还可以采取以下措施来优化系统性能：一是采用预取技术，即提前预测程序即将访问的页面并将其调入内存，减少等待时间；二是调整页面置换算法，选择更合适的算法（如最近最久未使用算法等）来确定淘汰哪些页面；三是增加内存的容量或者优化磁盘 I/O 性能，以加快页面调入的速度。

小编有话说

本次存储管理实验犹如一场奇妙的探索之旅，让我们深入操作系统的核心地带，领略存储管理的奥秘，从单一连续分配的简单直接，到固定分区、可变分区的逐步改进，再到分页、分段及段页式存储管理的精妙设计，每一种方式都承载着计算机科学家们的智慧结晶，实验过程中虽会遇到各种挑战，但正是这些挑战让我们不断成长，希望大家通过这次实验，不仅掌握了存储管理的知识与技能，更能培养起对计算机科学深入研究的热情和探索精神，为未来在计算机领域的学习和发展奠定坚实的基础。