今天我們來看一下作業系統的儲存管理。

目的

儲存器是計算機結構中必不可少的一部分，每個使用者程式都需要向作業系統申請儲存資源，那麼作業系統在儲存管理髮揮怎樣的作用呢？
主要有一下三點：
1、為使用者使用儲存空間提供方便。使用者只需要在自己的邏輯空間內程式設計，使用者只需要跟作業系統說我要用這麼大的記憶體空間，你分給我。至於我分到哪裡（具體在記憶體中的實體地址），別人分到哪裡，我不用管。
2、充分發揮記憶體的利用率。 作業系統的作用是讓儘可能多的使用者程式調入記憶體、儘量快地分配到記憶體並執行。
3、記憶體保護。 作業系統必須有一個機制，記錄哪些空間用了，哪些空間沒有用。必須保護記憶體不被非法訪問。分給使用者的空間不會被其他使用者（包括系統自己）非法訪問。

記憶體分配

連續分配至為一個使用者程式分配一個或多個連續記憶體空間。
主要的分配方式有下面幾種：

1. 單一連續分配
   這種分配方式的運用場景是：一個使用者獨佔連續的記憶體使用者去，只能用於單使用者、單任務的作業系統中。
   這時的記憶體區包含系統區和使用者區，可以要求對系統區進行保護（給一個基址，只能使用基址後面的記憶體空間，0到基址範圍都歸系統），也可不對系統進行保護。
2. 固定分割槽分配
   固定分割槽的意思是將一整個大的記憶體區域分成多塊，每塊只能給一個使用者程式。使用場景適合多使用者、多工的環境。
   分割槽方法大小劃分包括：
   分割槽大小一定：
   雖然這種分配方法簡單，但是有可能會出現大程式裝不下，小程式浪費的尷尬場面。
   分割槽大小不等：
   根據使用者程式所申請記憶體空間大小的分佈，可以將記憶體區分成多個較小的分割槽，適量的中等分割槽，少量的大分割槽。
   雖然這種方法較好處理了分割槽大小相等的尷尬場景。但是這種方法有一個問題就是不知道分割槽的大小如何設定比較好，每個大小分割槽的比例是多少也不清楚。可能會導致特別大的程式可能還是裝不進記憶體區。
   固定分割槽的分配有兩種演算法：
   1、首次適應演算法（FF）:按序選擇第一個滿足要求的記憶體區。
   2、最佳適應演算法（BF）:找一個與程式大小最匹配的空閒分割槽分配給使用者。這樣做的好處可以提供記憶體空間的利用率，不會出現小程式佔有大空間的情況，比較好。
3. 動態分割槽分配
   那就把分割槽的大小不固定吧，於是就來個動態分割槽分配。
   作業系統根據使用者程式的大小，動態地分配連續的記憶體空間，當沒有使用者程式執行時，記憶體只有一個連續分割槽。當用戶程式要求分配記憶體時，依次分配與使用者程式大小相等的記憶體，剩下的是空閒區。當用戶程式執行完成，回收記憶體，留給其他使用者程式使用。
   要實現動態分割槽分配，必須考慮一下三個問題：
   1、我用什麼資料結構來記錄空閒區的地址與大小；
   陣列、連結串列、紅黑樹都可以。
   2、怎麼分給使用者程式；
   （1）首次適應演算法（FF）：從空閒分割槽表首開始查詢，找到第一個合適的分割槽即分配。
   該演算法傾向於使用記憶體中低地址的空閒分割槽，保留了高地址部分的空間，為以後分配大的記憶體空間創造了條件。但是低地址部分的記憶體空間不斷被切割，留下許多小碎片（比較小的空閒區），提高了分配時查詢空閒分割槽的開銷。
   （2）迴圈首次適應演算法：它跟首次適應演算法的區別在於它不是從表首開始查詢，而是從上次找到的空閒分割槽開始查詢，直到找到一個能滿足需求的空閒分割槽。這樣做使得空閒分割槽的分佈比較均勻，但是缺乏大的空閒分割槽。
   （3）最佳適應演算法：該演算法尋找最合適的分割槽給使用者程式。為了快速查詢，一般會使用紅黑樹來按分割槽大小排序。這種演算法空間利用率比較高，但同樣會產生小碎片，而且每次分配必須重新排序，帶來一定的開銷。
   （4）最差適應演算法：與最佳適應演算法相反，最差適應演算法將最大的空閒分割槽分配給使用者程式，這樣會產生比較少的小碎片，但是大的空閒分割槽就被破壞了，維護順序也帶來開銷。
   3、使用者程式使用完後，怎麼回收。
   其實回收也挺簡單，主要參照下面的策略：
   如果回收區前面的分割槽空閒，就合併這兩個分割槽，大小改成它們的大小之和；
   如果回收區後面的分割槽空閒，同樣合併這兩個分割槽，大小為它們之和，將起始地址改成回收區的地址。
   如果回收區前後的分割槽都空閒，那麼將他們合併成一塊，總的塊數減一，大小為三者之和。
   如果不是上面的情況，就新建一個表項，在合適的位置插入到空閒分割槽（鏈）表。
4. 動態重定位分割槽分配
   該分配演算法基本上與動態分割槽分配演算法相同，差別在於動態重定位分割槽分配多了一個緊湊的功能。
   緊湊：對記憶體中正在使用的分割槽進行搬遷，使得多個小的空閒分割槽（小碎片）合併為一個大的空閒分割槽。
   要實現緊湊功能，由於分給使用者程式的實體地址已經被修改，所以需要一個重定位暫存器，來儲存程序的首地址。那麼使用者程式在訪問記憶體空間的時候，用的是相對地址，這時硬體會將相對地址加上重定位暫存器的值變成實際的實體地址。

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