存储管理方式有哪些

存储管理方式大盘点

在计算机系统中，存储管理是至关重要的一环，它负责对内存资源进行有效的分配、回收和管理，以确保多个程序能够在有限的内存空间中高效地运行，以下是几种常见的存储管理方式：

一、单一连续存储管理方式

1、基本原理

这种方式将内存视为一个连续的整体，从低地址到高地址依次排列，当一个程序被加载到内存时，会为其分配一块连续的内存区域，该区域的起始地址和长度由操作系统根据程序的大小和当前内存的使用情况确定，若程序 A 需要 50KB 的内存空间，操作系统会在内存中找到一块足够大的连续空闲区域，如从地址 1000H 开始，分配 50KB 的空间给程序 A，其结束地址则为 1377AH。

2、优点

实现简单：由于内存分配是基于连续的地址空间，不需要复杂的数据结构和算法来管理内存碎片，因此实现起来相对容易。

访问速度快：程序在连续的内存空间中运行，其指令和数据的地址是连续的，这有利于 CPU 快速地访问内存中的数据，因为 CPU 可以按照顺序依次读取或写入相邻的内存单元，减少了内存访问的时间延迟。

3、缺点

内存利用率低：随着时间的推移，内存中可能会出现大量的小碎片，这些碎片虽然总和可能足够容纳一个新的程序，但由于它们不连续，无法满足程序对连续内存的需求，导致内存浪费，有四个碎片，分别为 10KB、20KB、15KB 和 5KB，而新程序需要 30KB 的连续空间，此时虽然碎片总和为 50KB，但无法分配给该程序，只能等待更大的碎片出现或者进行内存整理（如紧凑操作），但这会增加系统的开销。

难以适应多任务环境：在多任务操作系统中，多个程序同时运行，每个程序都需要一定大小的连续内存空间，当内存中的空闲区域被分割成许多小碎片后，很难找到足够大的连续空间来满足新程序的需求，容易导致程序无法运行或者系统性能下降。

二、固定分区存储管理方式

1、基本原理

在系统初始化时，将内存划分为若干个固定大小的分区，每个分区的大小预先设定好，并且在系统运行过程中保持不变，当有程序需要运行时，操作系统根据程序的大小选择一个合适的分区，将程序装入该分区中运行，将内存划分为四个分区，大小分别为 64KB、128KB、256KB 和 512KB，如果有一个程序 B 需要 100KB 的内存空间，操作系统会选择 128KB 或 256KB 的分区（假设其他分区已满或有其他用途）来装载程序 B。

2、优点

便于管理和分配：由于分区的大小是固定的，操作系统在进行内存分配时只需要简单地判断哪个分区有足够的空间即可，不需要复杂的计算和查找过程，提高了内存分配的效率。

可以减少碎片：与单一连续存储管理方式相比，固定分区的方式在一定程度上减少了内存碎片的产生，因为每个分区的大小是固定的，即使某个分区未被完全利用，也不会产生过多的小碎片，从而提高了内存的利用率。

3、缺点

内存利用率仍然不高：虽然减少了小碎片的产生，但由于分区大小是固定的，可能会导致某些分区剩余大量未使用的空间，而其他分区却已满的情况，一个程序 C 需要 70KB 的内存空间，但它只能被装入 128KB 的分区中，这样就浪费了 58KB 的空间。

缺乏灵活性：当程序的大小发生变化时，固定分区的方式无法动态地调整分区的大小以适应程序的需求，如果一个程序在运行过程中需要更多的内存空间，而当前所在的分区无法满足其需求，则该程序可能会因为内存不足而无法正常运行。

三、可变分区存储管理方式

1、基本原理

根据程序的实际大小动态地分配内存空间，当有程序需要运行时，操作系统在内存中寻找一块足够大的连续空闲区域来满足程序的需求，并将该区域分配给程序，当程序运行结束后，释放其所占用的内存空间，使这部分空间重新成为可用的空闲区域，程序 D 需要 80KB 的内存空间，操作系统会在内存中搜索，找到一个大小至少为 80KB 的连续空闲区域（如从地址 2000H 开始的 100KB 空闲区域），然后将其中的 80KB 分配给程序 D，剩余的 20KB 仍作为空闲区域留在内存中。

2、优点

内存利用率高：由于是根据程序的实际大小分配内存空间，避免了像固定分区方式那样因分区大小固定而导致的空间浪费，能够充分利用内存资源，提高内存的利用率。

灵活性强：可以适应不同大小的程序运行需求，无论是小的程序还是大的程序，只要内存中有足够大的连续空闲区域，都能够为其分配合适的内存空间，方便了多任务环境下的程序运行。

3、缺点

容易产生碎片：在分配和回收内存的过程中，随着时间的推移，内存中可能会出现许多不连续的小空闲区域，即外部碎片，这些碎片会导致内存分配困难，降低系统的性能，经过多次程序的运行和退出后，内存中可能会出现一些分散的小碎片，当有新的程序需要较大空间时，可能无法找到足够大的连续空闲区域来满足其需求。

分配和回收算法复杂：为了有效地分配和回收内存空间，需要采用一些复杂的算法来确定空闲区域的分布和大小，如首次适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法等，这些算法需要消耗一定的时间和计算资源，增加了系统的开销。

四、分页存储管理方式

1、基本原理

将内存划分为固定大小的页面，每个页面的大小通常相等，一般为 2 的幂次方字节（如 4KB、8KB 等），将程序的逻辑地址空间也划分为同样大小的页面，当程序运行时，以页面为单位进行内存的分配和调度，将内存划分为每页 4KB 的页面，程序 E 的逻辑地址空间也被划分为若干个 4KB 的页面，当程序 E 需要运行时，操作系统将其页面逐个装入内存中的空闲页面帧中（物理内存中的页面称为页面帧）。

2、优点

有效解决碎片问题：由于内存是以页面为单位进行分配和回收的，无论程序的大小如何，都只会占用整数个页面，不会产生外部碎片，即使程序在运行过程中频繁地进行内存的分配和释放操作，也不会导致内存碎片的增加，保证了内存的有效利用。

便于内存的共享和保护：不同的程序可以共享相同的页面内容，只需要在各自的页表中记录相应的映射关系即可，通过设置页表中的保护位等机制，可以实现对程序内存访问的控制，防止一个程序非规访问其他程序的内存空间，增强了系统的安全性和稳定性。

3、缺点

存在内部碎片：虽然解决了外部碎片问题，但由于页面的大小是固定的，而程序的大小不一定是页面大小的整数倍，所以每个程序的最后一页可能会有部分空间未被利用，从而产生内部碎片，不过，内部碎片相对于外部碎片来说，对内存利用率的影响较小。

需要额外的数据结构支持：为了实现地址转换和内存管理功能，需要为每个程序建立页表来记录逻辑地址到物理地址的映射关系，页表本身也需要占用一定的内存空间，并且在使用过程中需要不断地进行更新和维护，这增加了系统的开销和复杂性。

五、分段存储管理方式

1、基本原理

根据程序的逻辑结构将程序划分为若干个段，每个段具有特定的功能和意义，如代码段、数据段、堆栈段等，每个段的长度可以根据需要动态地增长或缩短，当程序运行时，以段为单位进行内存的分配和管理，程序 F 包含代码段、数据段和堆栈段，代码段用于存放程序的指令代码，数据段用于存放程序运行时所需的数据变量，堆栈段用于处理函数调用时的参数传递和返回地址等信息，操作系统会根据各个段的大小为其分配相应的内存空间。

2、优点

符合程序的逻辑结构：按照程序的功能模块进行划分，便于程序员理解和管理程序的内存布局，每个段都有明确的功能和用途，使得程序的组织更加清晰，易于调试和维护。

便于实现对程序的共享和保护：不同的程序可以共享相同的代码段或数据段，只需要在各自的段表中记录相应的映射关系即可，通过对段的访问权限设置（如只读、可写等），可以实现对程序不同部分的保护，防止非规访问和修改。

3、缺点

存在外部碎片：与可变分区存储管理方式类似，在分配和回收段的过程中，随着时间的推移可能会产生外部碎片，当一个段被释放后，其占用的内存空间可能会与其他空闲区域不连续，导致后续分配段时难以找到足够大的连续空间。

段的长度变化管理复杂：由于段的长度是可变的，操作系统需要不断地跟踪和管理每个段的长度变化情况，这增加了管理的复杂性和系统的开销。

六、段页式存储管理方式

1、基本原理

结合了分段存储管理和分页存储管理的优点，首先将程序的逻辑地址空间划分为若干个段，每个段再进一步划分为固定大小的页面，这样既满足了程序按逻辑结构组织内存的需求，又能够有效地利用内存并减少碎片，程序 G 的逻辑地址空间先被划分为代码段、数据段和堆栈段等几个段，然后每个段又被划分为多个页面，当程序运行时，以页面为单位进行内存的分配和调度，同时通过段表和页表来实现逻辑地址到物理地址的转换。

2、优点

兼具分段和分页的优点：既具有分段存储管理方式符合程序逻辑结构、便于共享和保护的特点，又具备分页存储管理方式有效解决碎片问题、便于内存管理的优势，能够更好地满足多任务环境下复杂程序的运行需求。

提高了内存管理的灵活性和效率：可以根据程序的不同部分的特点选择合适的页面大小进行分配和管理，同时通过两级地址转换机制（段表和页表）实现高效的地址转换，提高了系统的运行速度和性能。

3、缺点

实现复杂：需要同时维护段表和页表两种数据结构，并且要处理段表和页表之间的映射关系以及地址转换过程中的各种细节问题，这使得系统的实现难度大大增加，同时也增加了系统的开销和复杂性。

开销较大：由于涉及到两级地址转换和多种数据结构的维护，段页式存储管理方式在时间和空间上的开销都比较大，每次访问内存时都需要先通过段表找到对应的段描述符，再通过段描述符中的页表地址找到相应的页表项，最后才能得到物理地址，这个过程需要多次访问内存和进行计算，会消耗较多的 CPU 时间和内存资源。

介绍了几种常见的存储管理方式及其原理、优缺点，在实际的计算机系统中，会根据具体的应用场景和需求选择合适的存储管理方式或组合使用多种方式以达到最佳的性能和资源利用效果。

相关问答 FAQs

问题 1：为什么分页存储管理方式会产生内部碎片？

答：分页存储管理方式产生内部碎片的原因是页面的大小是固定的，而程序的大小不一定是页面大小的整数倍，当程序的最后一页没有完全填满时，就会产生一部分未被利用的空间，这部分空间就是内部碎片，一个程序的大小为 10250 字节，页面大小为 4096 字节（4KB），那么该程序需要占用 3 个完整的页面（3×4096 = 12288 字节），而实际上程序只有 10250 字节，这样就有 12288 10250 = 2038 字节的内部碎片。

问题 2：段页式存储管理方式中段表和页表的作用分别是什么？

答：在段页式存储管理方式中，段表的作用是将程序的逻辑地址转换为段的起始地址和长度信息，当程序访问某个逻辑地址时，首先通过段表找到对应的段描述符，段描述符中包含了该段的基址、限长以及页表地址等信息，页表的作用则是将段内的页号转换为物理页面帧的编号，通过段表和页表的两级映射机制，最终可以将程序的逻辑地址转换为物理地址，对于逻辑地址（段号 S，段内偏移量 W），首先在段表中找到段号 S 对应的段描述符，从中获取页表起始地址；然后在页表中根据段内偏移量 W 计算出页号 P；最后根据页表中页号 P 对应的页表项中的物理页面帧号 F 以及段内偏移量 W 计算出物理地址。

小编有话说

存储管理方式多种多样，各有优劣，从简单的单一连续存储到复杂的段页式存储，它们在不同的历史时期和应用场景中发挥了重要作用，了解这些存储管理方式有助于我们深入理解计算机系统的内存管理机制，为优化程序设计、提高系统性能提供理论基础，在选择存储管理方式时，需要综合考虑程序的特性、系统的要求以及资源的利用效率等多方面因素，权衡利弊，以达到最佳的运行效果。