操作系统学习-17. 内存的连续分配方式

时间:2024-03-30 16:42:58

写在前面

连续分配方式,是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。又可把连续分配方式进一步分为单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配以及动态重定位分区分配四种方式。

单一连续分配

这是最简单的一种存储管理方式,但只能用于单用户、单任务的操作系统中。采用这种存储管理方式时,可把内存分为系统区和用户区两部分,系统区仅提供给 OS 使用,通常是放在内存的低址部分;用户区是指除系统区以外的全部内存空间,提供给用户使用。

固定分区分配

固定分区式分配是最简单的一种可运行多道程序的存储管理方式。这是将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域,在每个分区中只装入一道作业,这样,把用户空间划分为几个分区,便允许有几道作业并发运行。当有一空闲分区时,便可以再从外存的后备作业队列中选择一个适当大小的作业装入该分区,当该作业结束时,又可再从后备作业队列中找出另一作业调入该分区。

划分分区的方法
可用下述两种方法将内存的用户空间划分为若干个固定大小的分区:

  1. 分区大小相等,即使所有的内存分区大小相等。其缺点是缺乏灵活性,即当程序太小时,会造成内存空间的浪费;当程序太大时,一个分区又不足以装入该程序,致使该程序无法运行。
  2. 分区大小不等。为了克服分区大小相等而缺乏灵活性的这个缺点,可把内存区划分成含有多个较小的分区、适量的中等分区及少量的大分区。这样,便可根据程序的大小为之分配适当的分区。

内存分配
为了便于内存分配,通常将分区按大小进行排队,并为之建立一张分区使用表,其中各表项包括每个分区的起始地址、大小及状态(是否已分配)。当有一用户程序要装入时,由内存分配程序检索该表,从中找出一个能满足要求的、尚未分配的分区,将之分配给该程序,然后将该表项中的状态置为“已分配”;若未找到大小足够的分区,则拒绝为该用户程序分配内存。

固定分区分配,是最早的多道程序的存储管理方式,用于 60 年代的 IBM360 的 MFT操作系统中。

动态分区分配

动态分区分配是根据进程的实际需要,动态地为之分配内存空间。在实现可变分区分配时,将涉及到分区分配中所用的数据结构、分区分配算法和分区的分配与回收操作这样三个问题。

分区分配中的数据结构
为了实现分区分配,系统中必须配置相应的数据结构,用来描述空闲分区和已分配分区的情况,为分配提供依据。常用的数据结构有以下两种形式:

  1. 空闲分区表。在系统中设置一张空闲分区表,用于记录每个空闲分区的情况。每个空闲分区占一个表目,表目中包括分区序号、分区始址及分区的大小等数据项。
  2. 空闲分区链。为了实现对空闲分区的分配和链接,在每个分区的起始部分,设置一些用于控制分区分配的信息,以及用于链接各分区所用的前向指针;在分区尾部则设置一后向指针,通过前、后向链接指针,可将所有的空闲分区链接成一个双向链,

分区分配算法
为把一个新作业装入内存,须按照一定的分配算法,从空闲分区表或空闲分区链中选出一分区分配给该作业。目前常用以下所述的五种分配算法。

分区分配操作
在动态分区存储管理方式中,主要的操作是分配内存和回收内存。

1) 分配内存
系统应利用某种分配算法,从空闲分区链(表)中找到所需大小的分区。设请求的分区大小为 u.size,表中每个空闲分区的大小可表示为 m.size。若 m.size-u.size≤size(size 是事先规定的不再切割的剩余分区的大小),说明多余部分太小,可不再切割,将整个分区分配给请求者;否则(即多余部分超过 size),从该分区中按请求的大小划分出一块内存空间分配出去,余下的部分仍留在空闲分区链(表)中。然后,将分配区的首址返回给调用者。下图示出了分配流程。

图1 内存分配流程
操作系统学习-17. 内存的连续分配方式

2) 回收内存
当进程运行完毕释放内存时,系统根据回收区的首址,从空闲区链(表)中找到相应的插入点,此时可能出现以下四种情况之一:

(1) 回收区与插入点的前一个空闲分区 F1相邻接。此时应将回收区与插入点的前一分区合并,不必为回收分区分配新表项,而只需修改其前一分区 F1的大小。
(2) 回收分区与插入点的后一空闲分区 F2相邻接。此时也可将两分区合并,形成新的空闲分区,但用回收区的首址作为新空闲区的首址,大小为两者之和。
(3) 回收区同时与插入点的前、后两个分区邻接。此时将三个分区合并,使用 F1的表项和 F1的首址,取消 F2的表项,大小为三者之和。
(4) 回收区既不与 F1邻接,又不与 F2邻接。这时应为回收区单独建立一新表项,填写回收区的首址和大小,并根据其首址插入到空闲链中的适当位置。

五种分区分配算法

首次适应算法(first fit)
FF 算法要求空闲分区链以地址递增的次序链接。在分配内存时,从链首开始顺序查找,直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止;然后再按照作业的大小,从该分区中划出一块内存空间分配给请求者,余下的空闲分区仍留在空闲链中。若从链首直至链尾都不能找到一个能满足要求的分区,则此次内存分配失败,返回。

该算法倾向于优先利用内存中低址部分的空闲分区,从而保留了高址部分的大空闲区。这给为以后到达的大作业分配大的内存空间创造了条件。其缺点是低址部分不断被划分,会留下许多难以利用的、很小的空闲分区,而每次查找又都是从低址部分开始,这无疑会增加查找可用空闲分区时的开销。

循环首次适应算法(next fit)
该算法是由首次适应算法演变而成的。在为进程分配内存空间时,不再是每次都从链首开始查找,而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找,直至找到一个能满足要求的空闲分区,从中划出一块与请求大小相等的内存空间分配给作业。为实现该算法,应设置一起始查寻指针,用于指示下一次起始查寻的空闲分区,并采用循环查找方式,即如果最后一个(链尾)空闲分区的大小仍不能满足要求,则应返回到第一个空闲分区,比较其大小是否满足要求。找到后,应调整起始查寻指针。该算法能使内存中的空闲分区分布得更均匀,从而减少了查找空闲分区时的开销,但这样会缺乏大的空闲分区。

最佳适应算法(best fit)
所谓“最佳”是指每次为作业分配内存时,总是把能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业,避免“大材小用”。为了加速寻找,该算法要求将所有的空闲分区按其容量以从小到大的顺序形成一空闲分区链。这样,第一次找到的能满足要求的空闲区,必然是最佳的。孤立地看,最佳适应算法似乎是最佳的,然而在宏观上却不一定。因为每次分配后所切割下来的剩余部分总是最小的,这样,在存储器中会留下许多难以利用的小空闲区。

最坏适应算法(worst fit)
最坏适应分配算法要扫描整个空闲分区表或链表,总是挑选一个最大的空闲区分割给作业使用,其优点是可使剩下的空闲区不至于太小,产生碎片的几率最小,对中、小作业有利,同时最坏适应分配算法查找效率很高。该算法要求将所有的空闲分区按其容量以从大到小的顺序形成一空闲分区链,查找时只要看第一个分区能否满足作业要求。但是该算法的缺点也是明显的,它会使存储器中缺乏大的空闲分区。最坏适应算法与前面所述的首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法一起,也称为顺序搜索法。

快速适应算法(quick fit)
该算法又称为分类搜索法,是将空闲分区根据其容量大小进行分类,对于每一类具有相同容量的所有空闲分区,单独设立一个空闲分区链表,这样,系统中存在多个空闲分区链表,同时在内存中设立一张管理索引表,该表的每一个表项对应了一种空闲分区类型,并记录了该类型空闲分区链表表头的指针。空闲分区的分类是根据进程常用的空间大小进行划分,如 2 KB、4 KB、8 KB 等,对于其它大小的分区,如 7 KB 这样的空闲区,既可以放在 8 KB 的链表中,也可以放在一个特殊的空闲区链表中。