【愚公系列】软考高级-架构设计师 019-存储管理（快表、段式存储、段页存储）

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🚀前言

存储管理是操作系统中一个非常关键的组成部分，涉及到数据的存储、检索和管理。操作系统需要有效地管理不同类型的存储资源，包括主存（RAM）、辅助存储（如硬盘驱动器和固态硬盘）以及在某些情况下的网络存储。这一过程确保系统的高效运行和资源的最优利用。

主要目标和功能

存储管理的主要目标包括：

1. 抽象化：为程序员提供简单且一致的视图来隐藏底层的硬件复杂性。
2. 保护：确保一个进程的数据不会被其他进程非法访问。
3. 共享：允许多个进程安全地共享存储资源。
4. 虚拟化：提供比物理内存更大的地址空间，允许程序使用比实际可用内存更多的存储空间。
5. 持久性：确保数据在电源关闭后仍然存在。

存储管理的主要技术

存储管理使用多种技术来实现其目标，包括：

1. 内存管理：
   • 连续内存分配：早期操作系统使用，如固定分区、可变分区。
   • 分页（Paging）：将内存分割为固定大小的页，内存管理单元（MMU）将虚拟地址转换为物理地址。
   • 分段（Segmentation）：将程序的不同部分分割为逻辑上的段，每个段都可以独立地被放置和保护。
2. 虚拟内存：
   • 通过使用磁盘作为额外的存储空间来扩展物理内存。
   • 使用页面置换算法，如最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）等，来管理哪些数据应保留在内存中，哪些应被移至磁盘。
3. 辅助存储管理：
   • 管理硬盘和其他非易失性存储设备的数据。
   • 包括格式化、分区、文件系统实现等。
4. 文件系统：
   • 提供一个组织存储数据的方法，包括文件的创建、删除、读取和写入。
   • 实现文件的安全和保护，确保文件系统的完整性和可靠性。

实例：内存管理

考虑一个简单的分页系统，操作系统将程序的虚拟内存分成多个页面，这些页面可以独立地加载到物理内存的任何可用页面帧中。虚拟内存使得每个程序都认为自己在使用一个连续的内存块，而实际上它的各个部分可能散布在物理内存的不同位置。这种方法简化了内存管理，提高了内存的利用率，并允许使用更多的虚拟内存空间。

存储管理是确保操作系统稳定、高效运行的关键。随着技术的发展，存储管理的方法和技术也在不断进步，例如，现代系统中广泛使用的固态驱动器（SSD）提供了比传统硬盘更快的数据访问速度，这对存储管理策略产生了重大影响。操作系统必须不断地更新其存储管理技术，以充分利用这些新硬件的潜力。

🚀一、快表

快表是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号(可以看成是页表的频繁访问数据的副本)。

快表是将页表存于Cache中
慢表是将页表存于内存中

因此慢表需要访问两次内存才能取出数据，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快。

在这里插入图片描述

🔎1.快表（TLB）

快表，或称为转址旁路缓冲器（Translation Lookaside Buffer, TLB），是一种特殊的缓存，用于加速虚拟地址到物理地址的转换过程。在分页内存管理系统中，虚拟地址通常需要通过访问页表来转换成物理地址。页表可能非常大，通常存放在内存中，因此每次地址转换可能都需要访问内存，这会显著降低系统的效率。

快表作为页表的一个小型缓存副本，存放在CPU中，可以快速地进行地址转换，因为它仅存放最近或最频繁访问的页表项。当进行地址转换时，CPU首先检查快表：

• 如果在快表中找到对应项（快表命中），则直接使用快表中的信息进行地址转换，不需要访问内存。
• 如果未找到（快表未命中），则需要访问内存中的页表（慢表），将结果放入快表中，这个过程可能涉及到替换已有的快表项。

🔎2.慢表

慢表即存放在内存中的页表。由于内存的访问速度虽然比硬盘快很多，但与CPU速度相比仍然较慢，因此直接从内存中访问页表会较慢。在快表未命中的情况下，CPU必须访问这个慢表来获取所需的页表项，然后进行地址转换。

🔎3.访问过程

1. 使用快表：首先查找TLB，如果找到（命中），直接进行地址转换，这是最快的路径。
2. 访问慢表：如果TLB未命中，那么CPU需要访问内存中的页表来查找所需的映射，然后更新TLB，这需要更多时间因为涉及到两次内存访问（一次查页表，一次访问数据）。

🔎4.性能优化

使用快表的目的是减少访问内存的次数，因为即使是现代的内存访问也比缓存慢得多。快表能显著提高系统的性能，特别是在内存访问模式呈现局部性特征时（即程序倾向于重复访问相同的数据或相近的存储位置）。这使得TLB能够高效地缓存这些访问最频繁的页表项，从而减少对慢表的访问需求。

🚀二、段式存储

段式存储管理是一种内存管理方式，它将程序的不同部分划分为有逻辑意义的单元，称为“段”（Segment）。每个段可以代表程序的某一部分，如代码、数据、堆栈等。与分页存储管理相比，分段存储管理更强调逻辑划分和保护，更符合程序的结构和组织方式。

🔎1.段的特点

1. 逻辑单位：段是根据程序的逻辑结构来划分的，例如代码段、数据段、堆栈段等，每个段都有明确的含义和作用。
2. 动态大小：每个段的大小不是固定的，而是根据实际需要确定的。这与分页系统中的固定大小页不同。
3. 独立的地址空间：每个段在内存中有其独立的地址空间，程序内部对内存的引用通常是通过段名和段内偏移来实现的。

🔎2.段的寻址和管理

在段式存储管理中，地址通常由两部分组成：段号和段内偏移。CPU使用这两部分信息来确定数据在物理内存中的实际位置：

• 段号（Segment number）用来索引一个段表，从中获取段的基址。
• 段内偏移（Offset within the segment）用来从该基址开始计算实际的物理内存地址。

段表

操作系统为每个进程维护一个段表，用于存储各个段的信息，包括：

• 段基址（Base）：段在物理内存中的起始地址。
• 段长度（Limit）：段的长度。
• 保护位：指示段的访问权限，如读/写/执行。

当程序尝试访问某个内存地址时，操作系统首先检查段号是否有效，然后使用段表中的基址和限制来确定访问是否合法（即段内偏移是否超出了段的长度）。如果访问越界或违反了访问权限，操作系统会产生一个异常。

🔎3.优点和缺点

优点：

• 保护和安全性：由于每个段都可以有独立的保护属性，这提高了程序的安全性。
• 灵活性：段的大小可以根据需要动态调整，不受固定分页大小的限制。
• 适应性：分段非常适合程序的自然结构，易于程序的组织和管理。

缺点：

• 外部碎片：由于每个段的大小不同，内存中可能出现难以利用的小空间，称为外部碎片。
• 管理复杂性：分段系统的管理通常比分页系统更复杂，需要更多的硬件和软件支持。

段式存储管理提供了一种符合程序逻辑结构的内存管理方式，虽然在内存利用率和管理上可能存在一些挑战，但它的适应性和保护特性使其在某些应用场景中非常有用。

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🔎4.练习

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🚀三、段页存储

段页存储管理是一种先进的内存管理技术，它结合了分段（Segmentation）和分页（Paging）两种方法的优点，以提供更灵活、高效的内存使用方式。这种技术旨在同时处理两个主要问题：内存保护和内存分配的灵活性。

🔎1.段页存储管理

段页存储结合了上述两种技术。在这种系统中，程序首先被分为多个段，每个段提供了逻辑上的划分；然后，每个段内部又被进一步细分为多个页，这样做的好处是：

1. 灵活性和保护：分段提供逻辑上的分组和保护（不同的段可以有不同的访问权限），而分页则提供了对物理内存的有效管理。
2. 地址转换：地址转换包括两个层次，首先是段表将逻辑地址中的段号转换成物理段的起始地址，然后通过页表将段内偏移转换成物理页框号。
3. 减少内部碎片：由于每个段都是独立分页的，所以可以更精细地控制内存分配，减少了内部碎片。

这种结合方法的地址结构通常包括段号（用于查找段表）、页号（段内页表的索引）和页内偏移。

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🔎2.优缺点

优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接。

缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降

🔎3.应用

段页存储管理在现代操作系统中非常普遍，特别是在那些需要同时提供高度内存保护和灵活内存管理的环境中，如多用户、多任务的操作系统中。这种方法不仅提高了内存的使用效率，还加强了程序间的隔离，提高了系统的安全性。

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