内存管理数据结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,内存管理数据结构,星期二（单周）,星期二（双周）,掌握内存管理的数据结构,程序的页表,MMU的APR,U区的u.u_uisa16,u.u_uisd16,内存的空白区域 struct map,一、程序的内存组织方法,Static char*class=host;/标题页上的类名,Static char format=f;/打印文件用的格式字符,Static char hdr=1;/是否打印标题,已经初始化的数据,Static char*dfname;/数据文件,Static char*fonts4;/troff字体名,Static char iflag;/需要的缩进,未初始化的数据,bss,程序,Static char*,lmktemp(,char*id,int num,int len,),char*s;,if(s=,malloc(len),=NULL),fatal2(“out of memory”);,(void)snfrintf(s,len,”%s%A%03d%S”,SD,id,num,host);,程序参数栈区域,局部变量栈区域,堆,代码,Linux虚拟存储器管理,与进程相关的数据结构（页表，task,mm结构，内核栈）,物理存储器,内核代码和数据,每个进程不同,每个进程相同,用户栈,共享库的存储器映射区域,运行时堆（,malloc,分配）,未初始化数据.bss,已初始化数据.data,程序文件(.text),0 x08048000(32),0 x0040000(64),brk,%esp,内核虚拟存储器,进程虚拟存储器,二、UNIX V6内存管理,(1),页表,内存的分页管理,(paging),：把每个程序的地址空间分成大小相等的片，称之为页面或者页,(page),；内存的存储空间分成与页大小相同的片，称为页框,(page frame),为进程分配存储空间时，以页为单位。,MMU,为进程的每一个页面分配一个寄存器，这些寄存器组成一个表，称为页表,页表的硬件实现,有多种方法，用一组专用寄存器存放页表。,PDP-11/40,使用,APR,，高速逻辑电路构造，有效进行分页地址的转换。由于对内存的每次访问都要经过页表，因此效率很重要。,Unix v6的页表用APR实现。程序装入问题,CPU调度程序swtch()在装入保存在U区的R0R7数据时，也装入APR的数据。,APR数据保存在u.u_uisa16和u.u_uisd16中。,APR页表,PDP-11/40,的,CPU,字长是,16,位，地址是,16,位，页面大小,8kB,，因此,APR,页表有,8,个条目，每个程序最多有,8,个,page,。,APR,有,8,个快速,reg,组。,2,16,=64k,页面,8k,，所以页表有,8,个条目。,现代,OS,的页表,(,一百万个条目,),放在内存，将页表基地址存放在,PTBR,寄存器。使用快表，提高效率。,PDP-11/40的CPU地址和总线物理地址,总线,18,位，所以内存物理地址,2,18,=4*64k=256k,。,P5,所以内存最多可存放,4,个完整的进程地址空间。,P23,实际上，一般情况是，执行进程的整个地址空间在内存中，而不在,CPU,上执行的进程，将它的数据段调出到交换区（交换文件），只有一部分进程映像在内存，可提高内存的利用率。,UNIX V6进程页表的硬件实现,PDP-11/40,的,APR,页表是页面与块两级结构。,页面长度,8k,这是,CPU,字长决定的。,每个页面分成,128,块，块的长度,64B.,块是存储分配的基本单位,PDP-11/46,的页表包括,8,个页面，,maxmem,表示页表中最多块数。,APR(active page register),寄存器一共有,8,组，每组,APR,由,1,个,PAR(page address register),和,1,个,PDR(page description register),寄存器构成，,PAR07,PDR07,。,UNIX V6进程页表的硬件实现,PAR保存各页面在块的起始地址，PDR保存各页当前的块数。每页最多128块，每块64字节。128*64B=8k.,APR0,APR1,APR2,APR3,APR4,APR5,APR6,APR7,PAR0,PAR1,PAR2,PAR3,PAR4,PAR5,PAR6,PAR7,PDR0,PDR1,PDR2,PDR3,PDR4,PDR5,PDR6,PDR7,地址转换,逻辑地址,15,13,12,6,5,0,页号APR,块号,块内偏移量,15,12,11,0,PARi块号起始地址,+,块号,块内偏移量,P25,执行进程u P26,执行进程,U,区，全局变量,u(0140000),在内核,PAR6,的起始地址,Proc.p_addr=PAR6,内核APR,0,1,2,3,4,5,6 u,7,1-100-000-000-000-000,6：110,U区,内核栈,Proc.p_addr,执行进程的数据段,物理地址,八进制数，16位CPU字长。最高位1位，后面15位，所以有5个数字。,APR6,(3),用户,APR,在进程调度时，,savu(),保存在,U,区,进程切换,swtch(),PAR,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,3,4,5,6,7,u.u_uisa,savu(),保存,PAR,在,user.u_uisa,中,PDR,0,1,2,3,4,5,7,0,1,2,3,4,5,6,u.u_uisd,savu(),保存,PDR,在,user.u_uisd,中,6,sureg(),将,user.u_uisa,user.u_uisd,的内容传递到,APR,页表中,。,例题1.eatabur()设定的用户APR示例 qaqrfrqwert P,当进程的代码段，数据区域，栈区域的长度约为,192*64,字节时，用户,APR,的状态,0,128,16(USIZE),144,0,0,208,273,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,起始块号,127 RO 只读,64 RO,127 RW,64 RW,0,0,64 RW ED,127 RW,0,1,2,3,4,5,6,7,User.u_uisa,User.u_uisd,脚地址207,起始块号的计算方法,(1),代码段从,APR0,开始分配，,PAR0=0,PDR0=128.,代码段在,APR0,没有分配的块，在连续页面,APR1,分配，,PAR1=128.,与代码段不应在同一个页面，到代码段,page,之后连续的页面分配。这个例子中，数据段在,PAR2,开始分配，从第,0,块开始。,(2),数据段有,PPDA,，长度,USIZE,*,64B,。因此数据段的进程地址空间从第,16,块开始分配，,PAR2=16,。数据段,192,块，则数据段的数据区域最后一块的块号是,16+192-1=207,。,(3),栈区域在数据段中，在数据区域之后连续分配，因此在数据段的第,208,块开始分配，总块数,192,，栈区域的,ED,要求在,APR7,开始分配。,若栈区域最后一块的块号,400,，则,PAR7=400,，,PAR6=400-128+1=273.,因此实际上最后一块的块号是,399,。,（4）UNIX V6的段页式管理,段表,代码段,数据段,栈区域）,Text.x_caddr(proc.p_textp),proc.p_addr,Sep=0,代码段和数据段在在同一个页表中管理。,现代,OS,，每一个段有自己的一个页表。,在物理内存中的地址,二、地址转换,地址变换：程序的逻辑地址变换为主存的物理地址,0,128,16(USIZE),144,0,0,208,273,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,执行进程的APR页表,1.,从,ARP,页表中可知，程序的代码段、数据段从,0,块号开始。,2.,进程的数据段有,PPDA,（系统数据区），因此可执行文件实际从数据段的块号,16,开始分配主存的地址空间。数据段的块号,0,15,保存,PPDA,。,3.,栈区域从进程地址空间的最高地址开始分配。栈区域的脚地址,=,数据区域脚地址,+,栈区域长度,ns,。,1.程序的执行exec(),程序在执行时，需将程序的可执行文件从块设备读取至内存,(1),代码段的读入,程序的代码段所在地址,text.x_caddr,在,exec(),原语实现,exec()83,行,xalloc(),。,P91 xalloc():p_textp=xp,。,17,行,39,行,xp,是,text,数组的元素,text.x_caddr:,代码段读入内存物理空间起始地址,text.x_daddr:,代码段在外存交换区的地址,数据段在内存的起始块号,(2),数据段的读入,proc.p_addr,是数据段在内存中的起始地址,在,exec(),中实现数据段的读入,94,行，,readi(ip),。,P246 readi(),readi(),函数必须先在,estabur(),中设置,APR,eatabur(),在,APR,页表中设置数据段的相对地址：,PAR,PDR,数据段的内存分配在,fork(),中实现,(a),子进程和,EP,进程共享代码段，则,APR,页表相同,(b),子进程,exec,新的程序，则读入新的程序而且更新,APR,页表,proc.p_addr=a2=malloc(coremap,n);,数据段的实际地址,P63例题,text.x_caddr=50,proc.p_addr=300,则进程的主存地址空间,0,128,16(USIZE),144,0,0,208,273,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,执行进程的APR页表,50,241,代码段,300,第一次地址转换,:,(1),逻辑地址：,011,0001000,001000,011:,页号。第三页,APR3,0001000:,块号。第八块，相对块号。,001000,：块内偏移量,(2),相对物理地址：,PAR3=144,物理块号,144+8-1=151,主存物理空间（fork()）,PPDA,316,数据区域,栈区域,508,699,8,相对块号：相对所在,APR,起始地址的块号。,151,相对块号：相对所在段起始地址的块号。,第二次地址转换：,151+300=451,在物理内存中的实际块号。,字节地址：,451*64+块内偏移量,问题：为什么是*64而不是*32？,sureg():,将相对物理地址转换成内存物理地址,50,178,316(USIZE),444,0,0,508,573,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,UISA,UISA:,内存映射技术,将寄存器映射到内存中的一个事先定义的地址。,PSW,：,PS,，,0177776,APR,的,PAR,：,UISA,，,0177640,PDR,：,UDSA,，,0177660,P63 例题,进程调出，,APR,页表的内容保存在,u.u_uisa,u.u_uisd,0,128,16(USIZE),144,0,0,208,273,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,u.u_uisa,并不保存,UISA,和,UDSA,的内容。,原因是什么？,P63 例题,0,128,16(USIZE),144,0,0,208,273,0,1,代码,2,3,4,5,6,7,数据,栈,执行进程的APR页表,50,241,代码段,400,主存物理空间（fork()）,PPDA,416,数据区域,栈区域,608,799,8,相对块号：相对所在,APR,起始地址的块号。,151,相对块号：相对所在段起始地址的块号。,问题：为什么保留u.u_uisa,u.u_uisd中的相对地址，而不是UISA，UDSA中的实际物理内存地址？,进程调入：代码段，有共享进程则text.x_xad