作業系統--記憶體管理之連續分配管理方式
連續分配方式，是指為一個使用者程式分配一個連續的記憶體空間。它主要包括單一連續分配、固定分割槽分配和動態分割槽分配。
1單一連續分配
記憶體在此方式下分為系統區和使用者區，系統區僅提供給作業系統使用，通常在低地址部分；使用者區是為使用者提供的、除系統區之外的記憶體空間。這種方式無需進行記憶體保護。這種方式的優點是簡單、無外部碎片，可以釆用覆蓋技術，不需要額外的技術支援。缺點是隻能用於單使用者、單任務的作業系統中，有內部碎片，儲存器的利用率極低。
2固定分割槽分配
固定分割槽分配是最簡單的一種多道程式儲存管理方式，它將使用者記憶體空間劃分為若干個固定大小的區域，每個分割槽只裝入一道作業。當有空閒分割槽時，便可以再從外存的後備作業佇列中,選擇適當大小的作業裝入該分割槽，如此迴圈。
圖3-4 固定分割槽分配的兩種方法
固定分割槽分配在劃分分割槽時，有兩種不同的方法，如圖3-4所示。
- 分割槽大小相等：用於利用一臺計算機去控制多個相同物件的場合，缺乏靈活性。
- 分割槽大小不等：劃分為含有多個較小的分割槽、適量的中等分割槽及少量的大分割槽。
為便於記憶體分配，通常將分割槽按大小排隊，併為之建立一張分割槽說明表，其中各表項包括每個分割槽的起始地址、大小及狀態（是否已分配），如圖3-5(a)所示。當有使用者程式要裝入時，便檢索該表，以找到合適的分割槽給予分配並將其狀態置為”已分配”；未找到合適分割槽則拒絕為該使用者程式分配記憶體。儲存空間的分配情況如圖3-5(b)所示。
這種分割槽方式存在兩個問題：一是程式可能太大而放不進任何一個分割槽中，這時使用者不得不使用覆蓋技術來使用記憶體空間；二是主存利用率低，當程式小於固定分割槽大小時，也佔用了一個完整的記憶體分割槽空間，這樣分割槽內部有空間浪費，這種現象稱為內部碎片。
固定分割槽是可用於多道程式設計最簡單的儲存分配，無外部碎片，但不能實現多程序共享一個主存區，所以儲存空間利用率低。固定分割槽分配很少用於現在通用的作業系統中，但在某些用於控制多個相同物件的控制系統中仍發揮著一定的作用。
圖3-5 固定分割槽說明表和記憶體分配情況
3動態分割槽分配
動態分割槽分配又稱為可變分割槽分配，是一種動態劃分記憶體的分割槽方法。這種分割槽方法不預先將記憶體劃分，而是在程序裝入記憶體時，根據程序的大小動態地建立分割槽，並使分割槽的大小正好適合程序的需要。因此係統中分割槽的大小和數目是可變的。
圖3-6動態分割槽
如圖3-6所示，系統有64MB記憶體空間，其中低8MB固定分配給作業系統，其餘為使用者可用記憶體。開始時裝入前三個程序，在它們分別分配到所需空間後，記憶體只剩下4MB，程序4無法裝入。在某個時刻，記憶體中沒有一個就緒程序，CPU出現空閒，作業系統就換出程序2，換入程序4。由於程序4比程序2小，這樣在主存中就產生了一個6MB的記憶體塊。之後CPU又出現空閒，而主存無法容納程序2,作業系統就換出程序1，換入程序2。
動態分割槽在開始分配時是很好的，但是之後會導致記憶體中出現許多小的記憶體塊。隨著時間的推移，記憶體中會產生越來越多的碎片（圖3-6中最後的4MB和中間的6MB，且隨著程序的換入/換出，很可能會出現更多更小的記憶體塊)，記憶體的利用率隨之下降。這些小的記憶體塊稱為外部碎片，指在所有分割槽外的儲存空間會變成越來越多的碎片，這與固定分割槽中的內部碎片正好相對。克服外部碎片可以通過緊湊（Compaction)技術來解決，就是作業系統不時地對程序進行移動和整理。但是這需要動態重定位暫存器的支援，且相對費時。緊湊的過程實際上類似於Windows系統中的磁碟整理程式，只不過後者是對外存空間的緊湊。
在程序裝入或換入主存時，如果記憶體中有多個足夠大的空閒塊，作業系統必須確定分配哪個記憶體塊給程序使用，這就是動態分割槽的分配策略，考慮以下幾種演算法：
- 首次適應(First Fit)演算法：空閒分割槽以地址遞增的次序連結。分配記憶體時順序查詢，找到大小能滿足要求的第一個空閒分割槽。
- 最佳適應(Best Fit)演算法：空閒分割槽按容量遞增形成分割槽鏈，找到第一個能滿足要求的空閒分割槽。
- 最壞適應(Worst Fit)演算法：又稱最大適應(Largest Fit)演算法，空閒分割槽以容量遞減的次序連結。找到第一個能滿足要求的空閒分割槽，也就是挑選出最大的分割槽。
- 鄰近適應(Next Fit)演算法：又稱迴圈首次適應演算法，由首次適應演算法演變而成。不同之處是分配記憶體時從上次查詢結束的位置開始繼續查詢。
在這幾種方法中，首次適應演算法不僅是最簡單的，而且通常也是最好和最快的。在UNIX 系統的最初版本中，就是使用首次適應演算法為程序分配記憶體空間，其中使用陣列的資料結構 (而非連結串列）來實現。不過，首次適應演算法會使得記憶體的低地址部分出現很多小的空閒分割槽，而每次分配查詢時，都要經過這些分割槽，因此也增加了查詢的開銷。
鄰近適應演算法試圖解決這個問題，但實際上，它常常會導致在記憶體的末尾分配空間（因為在一遍掃描中，記憶體前面部分使用後再釋放時，不會參與分配)，分裂成小碎片。它通常比首次適應演算法的結果要差。
最佳適應演算法雖然稱為“最佳”，但是效能通常很差，因為每次最佳的分配會留下很小的難以利用的記憶體塊，它會產生最多的外部碎片。
最壞適應演算法與最佳適應演算法相反，選擇最大的可用塊，這看起來最不容易產生碎片，但是卻把最大的連續記憶體劃分開，會很快導致沒有可用的大的記憶體塊，因此效能也非常差。
Kunth和Shore分別就前三種方法對記憶體空間的利用情況做了模擬實驗，結果表明：
首次適應演算法可能比最佳適應法效果好，而它們兩者一定比最大適應法效果好。另外注意,在演算法實現時,分配操作中最佳適應法和最大適應法需要對可用塊進行排序或遍歷查詢，而首次適應法和鄰近適應法只需要簡單查詢；回收操作中，當回收的塊與原來的空閒塊相鄰時（有三種相鄰的情況，比較複雜)，需要將這些塊合併。在演算法實現時，使用陣列或連結串列進行管理。除了記憶體的利用率，這裡的演算法開銷也是作業系統設計需要考慮的一個因素。
| 作業道數 | 內部 碎片 |
外部 碎片 |
硬體支援 | 可用空 間管理 |
解決碎 片方法 |
解決空 間不足 |
提高作 業道數 |
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 單道連續 分配 |
1 | 有 | 無 | 界地址暫存器、越界 檢查機構 |
-- | -- | 覆蓋 | 交換 |
| 多道固定 連續分配 |
<=N (使用者空間劃 為N塊) |
有 | 無 |
|
-- | -- | ||
| 多道可變連續分配 | — | 無 | 有 |
|
緊湊 |
以上三種記憶體分割槽管理方法有一共同特點，即使用者程序（或作業）在主存中都是連續存放的。這裡對它們進行比較和總結，見表3-1。
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