王道操作系统___第三章02

3.2_1_虚拟内存的基本概念

传统存储管理方式的特征、特点

• 连续分配：单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配
• 非连续分配：基本分页存储管理、基本分段存储管理、基本段页式存储管理
• 很多暂时用不到的数据也会长期占用内存，导致内存利用率不高。
• 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行
  • 作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行
  • 当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序的并发度降低。
• 驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。
  • 事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中驻留大量的暂时用不到的数据。

局部性原理

• 时间局部性，空间局部性
• 高速缓冲技术：将近期会频繁访问到的数据放到更高速的存储器中，暂时用不到的数据放在更低速的存储器中。
• 计算机中存储器的层次结构：外存->内存->高速缓存->寄存器。容量越来越小，速度越来越快，成本越来越高。

虚拟内存的定义和特征

• 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始运行。
• 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序
• 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出外存
• 在操作系统管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存。
• 虚拟内存有一下三个主要特征：
• 多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是被允许分成多次调入内存。
• 对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入换出。
• 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

实现虚拟内存技术

• 建立在离散分配的内存管理方式的基础上。
• 请求分页存储管理、请求分段存储管理、请求段页式存储管理
• 操作系统要提供请求调页(或者请求调段)功能
• 操作系统要提供页面置换(段置换)功能。

3.2_2_请求分页管理方式

页表机制

• 与基本分页管理相比，请求分页管理中，为了实现请求调页，操作系统需要知道每个页面是否已经调入内存；如果还没有调入内存，那么也需要知道该页面在外存中存放的位置。
• 当内存空间不够时，要实现页面置换，操作系统需要通过某些指标来决定倒底换出哪个页面；有的页面没有修改过，就不用在浪费时间写回外存。有的页面修改过，就需要将外存中的旧数据覆盖，因此，操作系统也需要记录各个页面是否被修改过的信息。
• 请求分页存储管理的页表字段
  • 状态位：是否已调入内存
  • 访问字段：可记录最近被访问过的次数或记录上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时的参考。
  • 修改位：页面调入内存后是否被修改过。
  • 外存地址：页面在外存中的存放位置。

缺页中断机构

• 在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断。
• 此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回到就绪队列。
• 如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项。
• 如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存。未修改过的页面不用写回外存。
• 缺页中断是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断
• 一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断

地址变换机构

• 请求调页(查到页表项时进行判断)
• 页面置换：需要调入页面，但没有空闲内存快时进行
• 需要修改请求页表中新增的表项。
• 快表中有的页面一定是在内存中的。若某个页面被换出外存，则快表中的相应表项也要删除，否则可能访问错误的页面。

3.2_3_页面置换算法

最佳置换算法OPT

• 每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低缺页率。
• 缺页时未必发生页面置换，若还有可用的空闲内存块，就不用进行页面置换。
• 只有在进程执行过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问的次序。因此，最佳置换算法是无法实现的。

先进先出置换算法FIFO

• 每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
• 把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择对头页面即可。
• 队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块。
• 先进入的页面也有可能最经常被访问到，因此算法的性能差。

最近最久未使用置换算法LRU

• 每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面
• 赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t，当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中t值最大的，及最近最久未使用的页面。
• 虽然算法性能好，但是实现困难，开销大。

时钟置换算法NRU

• 简单的CLOCK算法：为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针连接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1.当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出；如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，在进行第二轮扫描。
• 改进型的时钟置换算法：在其他条件都相同的条件下，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/O操作。用(访问位，修改位) 的形式表示各页面的状态
  • 从当前位置开始扫描到第一个（0，0）的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位。最近没被访问过，且没修改的页面。
  • 若第一轮扫描失败，重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。本轮将所有扫描的帧访问位设为0。最近没访问，但修改过的页面。
  • 若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，0）的帧进行替换。本轮扫描不修改任何标志位。最近访问过，但没修改的页面。
  • 若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。最近访问过，且修改过的页面。

3.2_4_页面分配策略

页面分配、置换策略

• 驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合
• 若驻留集太大会导致多道程序的并发度下降，资源利用率降低。若驻留集太小，会导致缺页频繁，系统要花大量的时间来处理缺页。
• 固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变，即驻留集大小不变
• 可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当的增加或减少，即驻留集大小可变。
• 局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换
• 全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程。
• 固定分配局部置换、可变分配全局置换(只要缺页就给分配新物理块)、可变分配局部置换(要根据发生缺页的频率来动态地增加或减少进程的物理块)

何时调入页面

• 预调页策略：根据局部性原理，一次调入若干个相邻的页面可能比一次调入一个页面更有效。但如果提前调入的页面中的大多数都没有访问到，则又是低效的，故这种策略主要用于进程首次调入，由程序员指出应该调入哪些部分。
• 请求调页策略：进程在运行期间发生缺页时才将所缺页面调入内存。由这种策略调入的页面一定会被访问到，但由于每次只能调入一页，而每次调入页都要磁盘I/O操作，因此I/O开销较大。

从何处调入页面

• 系统拥有足够的对换区空间：页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。
• 系统缺少足够的对换区空间：凡是不会被修改的数据都直接从文件区调入、由于这些数据不会被修改，因此换出时不会被写入磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。
• UNIX方式：运行之前进程有关的数据全部放在文件区，故未使用的页面，都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换区，下次需要时从对换区调入。

抖动(颠簸)现象

• 刚刚换出的页面又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出内存，这种频繁的页面调度行为称为抖动或颠簸。
• 产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数(分配给进程的物理块不够)。
• 工作集：指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。操作系统会根据窗口尺寸的大小来算出工作集
• 工作集大小可能小于窗口尺寸，实际应用中，操作系统可以统计进程的工作集大小，根据工作集大小给进程分配若干个内存块。
• 一般来说，驻留集的大小不能小于工作集的大小，否则进程运行过程中将发生频繁的缺页。