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  • CPU 速度最快 内部是寄存器 | CACHE(高速缓冲器) 速度第二快 | 内存 速度第三快 | 外存 速度最慢 所谓速度是指他们读写速度。 我们买手机经常会看到 什么 4+64 8+128 ...

    CPU 速度最快 内部是寄存器
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    CACHE(高速缓冲器) 速度第二快
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    内存 速度第三快
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    外存 速度最慢

    所谓速度是指他们的读写速度。
    我们买手机经常会看到 什么 4+64 8+128 诸如此类的存储空间,4和8指的是运行内存,也就是我们平常说的主存,是个临时存放CPU需要运行的数据的区域,而128指的就是外存,就是计算机本身的存储空间,你的硬盘,光盘等等存储结构都是属于外存。当我们使用计算机手机执行某种功能的时候,实际上就是CPU处理数据的过程,而数据往往最开始都存储在内存和外存之中,因为CPU操作的速度很快,所以很可能会出现读取和写入的速度跟不上CPU处理的速度,因为CPU所需要的数据是放在内存中的。
    为了加快对数据的读取速度,这个时候引入了CACHE高速缓冲区,这个告诉缓冲区的容量是很小的,它可以暂时存取一些CPU所需执行的数据,例如我们都知道,在一个程序代码中,往往输入和输出都只执行一次,但是遇到了循环体例如for,while等等,其实是对同一个逻辑执行很多次,这个时候把这段代码所需要的数据暂时放在缓冲区中,CPU就不用每次都通过内存读取数据,而是直接和CACHE交互就可以了。

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  • 5.存储结构 5.1 层次化存储结构 ...在计算机的存储系统体系中,Cache是访问速度最快的层次(若有寄存器,则寄存器最快) 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理 如果以h代表对Cache的访问命令率,

    5.存储结构

    5.1 层次化存储结构

    局部性原理是层次化存储结构的支撑

    从上往下:速度快(容量小)-------->速度慢(容量大)

    • CPU:寄存器,最快,但容量小,成本高
    • Cache:按内容存取
    • 内存(主存):分两类:随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)
    • 外存:硬盘、光盘、U盘等

    5.2 cache

    • 在计算机的存储系统体系中,Cache是访问速度最快的层次(若有寄存器,则寄存器最快)
    • 使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理
    • 如果以h代表对Cache的访问命令率,t1表示Cache的周期时间,t2表示主存储器周期时间,以读操作为例,使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3,则:t_{3}=h\times t_{1}+(1-h)\times t_{2}   其中,(1-h)又称为失效率(未命中率)

    5.3 cache-映像

    • 直接相联映像:硬件电路较简单,但冲突率很高
    • 全相联映像:电路难于设计和实现,只适用于小容量的cache,冲突率较低
    • 组相联映像:直接相联与全相联的折中
    • 地址映像是将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页(或称为块)

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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  • 存储器是计算机系统中重要资源之一,任何程序和数据及各种控制用数据结构都必须占有一定的存储空间,因此,存储管理直接影响系统性能。 存储器由内存和外存组成。存储管理主要是指对内存管理,目的是尽量...

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    存储管理

    存储器是计算机系统中最重要的资源之一,任何程序和数据及各种控制用的数据结构都必须占有一定的存储空间,因此,存储管理直接影响系统性能。

    存储器由内存和外存组成。存储管理主要是指对内存的管理,目的是尽量提高内存的使用效率。

    1.1 内存

    内存是系统实际提供的存储单元组成的一个连续地址空间,处理器可以直接存取。其访问速度快,价格较高。

    1.2 外存

    外存包括软盘、硬盘、光盘、磁带等,处理器不能直接访问。其访问速度慢,价格较便宜。

    存储管理的功能

    开始之前需要首先明确两个概念:物理地址空间 和 逻辑地址空间。一般来说,用户程序使用的是逻辑地址空间,逻辑地址空间是相对地址。物理地址是内存中各存储单元的编号,是真实的地址。

    2.1 内存分配与回收

    1. 单一连续区管理,单一连续分配

    这种分配方式的运用场景是:一个用户独占连续的内存用户去,只能用于单用户、单任务的操作系统中。这时的内存区包含系统区和用户区,可以要求对系统区进行保护(给一个基址,只能使用基址后面的内存空间,0到基址范围都归系统),也可不对系统进行保护。

    连续分配会造成内存碎片问题,空闲内存不能被利用,包括内部碎片和外部碎片。外部碎片,在分配单元间的未使用内存,内部碎片,在分配单元中的未使用内存。

    2. 分区存储管理

    分区管理的思想是将内存划分为若干个连续区域,每个分区装入一个作业运行。

    2.1 固定分区管理

    把内存固定的划分为若干个大小不等的区域。(系统对内存的管理和控制通过分区说明表进行,分区说明表说明各分区号,分区大小,起始地址和是否空闲(分区状态)。内存的分配释放,保护,地址变换都是通过分区说明表进行)

    2.2 可变分区管理

    在作业执行前不建立分区,分区的建立是建立在作业的处理过程中进行的,大小随着作业或进程对内存的要求而改变的。动态分区除了分区说明表还把内存中的可以分区单独构成可用分区表或可以分区自由链。

    2.3 分配算法

    2.3.1 首次适配

    从0地址往后查找和使用第一个可用空闲快(要比需要的空间大)。基本实现机制要求把空闲的内存块按地址排序。回收要考虑能否合并内存块。
    优点:简单,易于产生更大的空闲快,向着地址空间的结尾
    劣势:易产生外部碎片(随着动态分配加剧),不确定性

    2.3.2 最优适配

    找比需求大但最接近需求的空闲内存块,产生尽可能小的内存碎片。原理是为了避免分配大空闲块,最小化外部碎片,要求对空闲地址快按尺寸size排序,回收要合并。
    优点:当大部分分配需要小空间时使用,简单。
    缺点:外部碎片太小太细,不利于后续重分配。

    2.3.3 最差匹配

    使用最大的空闲快,大块拆分变小块,可以避免产生太多微小的碎片,也要排序,回收合并。
    优点:分配中大型SIZE时实用。
    缺点:重分配慢,对大块的请求可能没得用了。

    3. 页式存储管理

    连续内存分配有碎片的缺点,对应非连续的优点:更好的内存利用和管理,允许共享代码和数据(共享库。。),支持动态加载和动态链接。最大的问题在于管理的开销。在虚拟地址和物理地址之间的转换,如果用软件来实现,开销巨大。因此要考虑用硬件来协同解决。

    页面,进程逻辑地址空间分成大小相等的区,每个区称为页面或页。
    页框,又称页帧。内存物理地址空间分成大小相等的区,其大小和页面大小相等,每个区就是一个页框。
    逻辑地址,分页存储器的逻辑地址由页号和页内偏移两部分组成。

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    页面调度算法有最优算法、随机算法、先进先出算法、最近最少使用算法。

    4. 段式存储管理

    分段管理就是将一个程序按照逻辑单元分成多个程序段,每一个段使用自己单独的虚拟地址空间。

    优点:
    4.1每个逻辑单元可单独占用一个虚拟地址空间,这样使得编写程序的空间大为增长。
    4.2由于段式按逻辑关系划分,因此共享起来十分方便。
    4.3对于空间稀疏的程序来说,分段管理将节省大量的空间。
    缺点:
    4.1外部碎片和一个段必须全部加载到内存。

    分段和分页的比较:

    1. 分段是信息的逻辑单位,由源程序的逻辑结构及含义所决定,是用户可见的,段长由用户根据需要来确定,段起始地址可以从任何内存地址开始。引入的目的是满足用户模块化程序设计的需要。
    2. 分页是信息的物理单位,与源程序的逻辑无关,是用户不可见的,页长由系统(硬件)决定,页面只能从页大小的整数倍地址开始。引入目的是实现离散分配并提高内存利用率。

    5. 段页式存储管理

    段页式管理就是将程序分为多个逻辑段,在每个段里面又进行分页,即将分段和分页组合起来使用。这样做的目的就是想同时获得分段和分页的好处,但又避免了单独分段或单独分页的缺陷。

    2.2 地址变换(重定位)

    操作系统把用户程序指令中的相对地址变换成为所在存储中的绝对地址的过程,实现了从逻辑地址到物理地址的转换。分为静态重定位、动态重定位。

    2.3 内存保护

    内存分配前,需要保护操作系统不受用户进程的影响,同时保护用户进程不受其他用户进程的影响。通过釆用重定位寄存器和界地址寄存器来实现这种保护。重定位寄存器含最小的物理地址值,界地址寄存器含逻辑地址值。每个逻辑地址值必须小于界地址寄存器;内存管理机构动态地将逻辑地址与界地址寄存器进行比较,如果未发生地址越界,则加上重定位寄存器的值后映射成物理地址,再送交内存单元。每一个逻辑地址都需要与这两个寄存器进行核对,以保证操作系统和其他用户程序及数据不被该进程的运行所影响。

    参考资料:
    1、操作系统之存储管理
    2、计算机操作系统之存储管理
    3、操作系统Day1地址空间与地址生成
    4、操作系统 笔记(三)
    5、操作系统 - 地址重定位
    6、操作系统原理总结
    7、操作系统核心原理-5.内存管理(下):段式内存管理

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    Java基础之数组队列及Java堆外内存学习笔记[图]
    1.数组
    1.1 数组基本概念:
    数组是一个容器,可以存储同一数据类型的N个数据;数组是一个数据结构,是数据结构中访问速度最快的;
    数组是直接通过下标进行定位;
    数组是属于引用数据类型(数组名中存储的是内存首地址);数组本身只有有length属性(获取数组能存储的数据个数),但是有从Objuect父类继承的属性和方法。
    1.2数组在内存中的存储:
    数组在内存中是一个连续的存储空间;一维数组、二维数组....
    1.3数组排序:堆排序
    2.数组队列
    利用数组这个数据结构,来实现多个数据的类。数组在定义的时候要定义类型和大小,定义完后不能修改(不能动态改变大小和数据类型)。
    存储数据的个数是会根据实际情况进行变化,但是数组大小无法改变。
    不确定要存储的个数:
    数组定义大了,数据小了,浪费空间;数组定义小了,数据多了,越界、存储不下。要满足上述两种要求,利用数组名中存储的是数组对象在堆内存中的首地址。存储数据类型,在单独某一个程序使用中是不会存在太大问题。

    Java基础之数组队列及Java堆外内存学习笔记[图]

    数组队列是否能够通用,数据类型。Object是所有类的父类:Java中所有基本数据类型都由对应一个类,其父类为Object。
    如果要求数组中只能存储某一种数据类型;如果要求数组中可以存储任何数据类型。要满足上述两种要求,只能使用Java泛型。
    泛型不是数据类型,是一种特殊的符号,用于泛指Java中任意一种引用类型。在编写数组队列(提供的插件类),不确定之后要存储的数据类型,则只能使用泛型的表示。泛型在此处只是一个占位符,之后在使用中。
    Java堆外内存:
    1. 首先了解堆内内存on-heap memory 
    这里写图片描述 
    2. 定义:off-heap memory

    堆外内存就是把内存对象分配在Java虚拟机的堆以外的内存。这些内存直接受操作系统管理(而不是虚拟机),我们仨读后感(http://www.simayi.net/duhougan/2472.html)心得体会及感悟,这样做的结果就是能够在一定程度上减少垃圾回收对应用程序造成的影响。

    3. 特点
    1、减少了垃圾回收
    因为垃圾回收会暂停其他的工作。
    2、加快了复制的速度
    堆内在flush到远程时,会先复制到直接内存(非堆内存),然后在发送;而堆外内存相当于省略掉了这个工作。
    4. 堆外内存的管理:DirectByteBuffer
    DirectByteBuffer类是在Java Heap外分配内存,对堆外内存的申请主要是通过成员变量unsafe来操作; 
    ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(1024*1024*128);
    5. 其他
    System.gc使用-XX:+DisableExplicitGC可以禁掉;
    通过-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent也可以做并行gc;
    最常见的场景是RMI/NIO下的堆外内存分配等;

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