内存覆盖和内存交换

xiaoxiao2021-03-01  8

覆盖交换技术是在多道程序环境下用来扩充内存的两种方法。

覆盖技术主要用在早期的操作系统中,而交换技术则在现代操作系统中仍具有较强的生命力。

1、内存覆盖(Overlay)

在早期的计算机系统中,主存容量很小。虽然主存中仅存放一道用户程序,但是存储空间放不下用户进程的现象也经常发生。这一矛盾可以用覆盖技术来解决。覆盖的基本思想是:由于程序运行时并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分(尤其是大程序), 因此可以把用户空间分成一个固定区若干个覆盖区。将经常活跃的部分放在固定区,其余部分按调用关系分段。首先将那些即将要访问的段放入覆盖区,其他段放在外存中,在需要调用前,系统再将其调入覆盖区,替换覆盖区中原有的段。

----  覆盖技术的实现是把程序划分为若干个功能上相对独立的程序段,按照其自身的逻辑结构使那些不会同时运行的程序段共享同一块内存区域。程序段先保存在磁盘上,当有关程序的前一部分执行结束后,把后续程序段调入内存,覆盖前面的程序段。

----  所谓覆盖,就是把一个大的程序划分为一系列覆盖,每个覆盖就是一个相对独立的程序单位,把程序执行时并不要求同时装入内存的覆盖组成一组,称为覆盖段一个覆盖段内的覆盖共享同一存储区域该区域成为覆盖区,它与覆盖段一一对应。显然,为了使一个覆盖区能为相应覆盖段中的每个覆盖在不同时刻共享,其大小应由覆盖段中的最大覆盖来确定。

---- 覆盖技术要求程序员必须把一个程序划分为不同的程序段,并规定好它们的执行和覆盖顺序,操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。

例如,一个用户程序由6个模块组成,下图给出了各个模块的调用关系,Main模块是一个独立的段,其调用A和B模块,A和B是互斥被调用的两个模块。在A模块执行过程中,调用C模块;而在B模块执行过程中,它可能调用D或E模块(D和E模块也是互斥被调用的)。为该用户程序建立的覆盖结构如下:Main模块是常驻段,其余部分组成两个覆盖段。

       

由以上推理可知,A和B模块组成覆盖段1,C、D和E组成覆盖段2。为了实现真正覆盖,相应的覆盖区应为每个覆盖段中最大覆盖的大小。覆盖技术的特点是打破了必须将一个进程的全部信息装入主存后才能运行的限制,但当同时运行程序的代码量大于主存时仍不能运行。

2、内存交换(Swapping)

交换(对换)的基本思想是:

---- 把处于等待(阻塞)状态(或在CPU调度原则下被剥夺运行权利)的程序(进程)从内存移到辅存(外存),把内存空间腾出来,这一过程又叫换出。把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存,这一过程又称为换入中级调度(策略)就是釆用交换技术。

1)对换的引入

在多道程序环境下,一方面,在内存中的某些进程由于某事件尚未发生而被阻塞运行,但它却占用了大量的内存空间,甚至有时可能出现在内存中所有进程都被阻塞而迫使CPU停止下来等待的情况。另一方面,却又有着许多作业在外存等待,因无内存而不能进入内存运行的情况。显然这是对系统资源的一种严重浪费,使系统吞吐量下降,于是增设了对换(交换)设施。

----- 所谓“对换”,是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据调出到外存上,以便腾出足够的内存空间,再把已具备运行条件的进程调入内存。

----- 如果对换是以整个进程为单位的,便称之为“整体对换”或“进程对换”。解决内存紧张的问题。

----- 如果对换是以“页“或”段“为单位进行的,则分别称之为”页面对换“或”分段对换“。为了实现进程对换,系统必须能实现3个方面的功能:对换空间的管理、进程的换出、进程的换入。

2)对换空间的管理

在具有对换功能的OS中,通常把外存分为文件区对换区。前者用于存放文件,后者用于存放从内存换出的进程。对换区采用的是连续分配的方式(考虑到对换的速度)。

3)进程的换出与换入

换出:每当一进程由于创建子进程而需要更多的内存空间,但又无足够的内存空间等情况发生时,系统应将某进程换出。系统首先选择处于阻塞状态优先级最低的进程作为换出进程,然后启动磁盘,将该进程的程序和数据传送到磁盘的对换区。若传送过程未出现错误,便可回收该进程所占用的内存空间,并对该进程的进程控制块做相应的修改。

换入:把外存交换区中的数据和程序换到内存中。系统应定时的查看所有进程的状态,从中找出”就绪“状态但已换出的进程。将其中换出时间最久(换出到磁盘上)的进程作为换入进程,将之换入。直至已无可换入的进程或无可换出的进程为止。交换的特点是打破了一个程序一旦进入主存便一直运行到结束的限制,但运行的进程大小仍受实际主存的限制。

---- 与覆盖技术相比,交换不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构,而且交换主要是在进程或作业之间进行;而覆盖则主要在同一个作业或进程中进行。另外,覆盖只能覆盖与覆盖程序段无关的程序段。

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