操作系统-虚拟内存

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传统存储方式特点 - 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行； - 驻留性：一旦作业装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业结束； 局部性原理 - 时间局部性 - 空间局部性 ## 虚拟内存 - 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以开始执行程序； - 在程序执行过程中，当访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息调入内存，然后继续执行程序；（请求调页/请求调段） - 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到外存；（页面置换/段置换） #### 虚拟内存容量 虚拟内存最大容量：由计算机地址结构（CPU寻址范围决定），如32位计算机地址结构：2^32B=4GB； 虚拟内存实际容量：min（内外存容量之和，CPU寻址范围）； #### 特征 - 多次性； - 对换性； - 虚拟性； ## 请求分页管理方式 #### 请求页表 - 内存块号 - 状态栏：表示页面是否已在内存中； - 访问字段：记录最近被访问过几次，或记录上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时参考； - 修改位：表示页面调入内存后是否被修改过； - 外存地址：页面在外存中存放的位置； #### 缺页中断机构 - 在请求分页系统中，当访问的页面不在内存（状态位为0）时，便产生一个缺页中断，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，并修改相应页表项； - 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，若该页面被修改过则需写回外存； #### 地址变换机构 - 找到页表项时需检查页面是否在内存中； - 若页面不在内存中，需请求调页； - 如内存空间不够，需换出页面； - 页面调入内存后，需要修改相应页表项； ## 页面置换算法 追求更小的缺页率（缺页次数/访问次数）。 #### 最佳置换算法 每次选择以后永不使用，或长时间内不再被访问的页面淘汰，保证最低缺页率。 操作系统无法预判，所以无法实现。 #### 先进先出置换算法（FIFO） 每次淘汰最早进入内存的页面。FIFO会产生Belady异常。 Belady异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增。 #### 最近最久未使用置换算法（LRU） 每次淘汰最近最久未使用的页面。用访问字段记录上次被访问以来经历的时间t。 性能好，但实现困难、开销大。 #### 时钟置换算法（CLOCK） 简单的CLOCK算法： - 为每个页面设置一个访问位，通过链接指针链接成一个循环队列； - 一个页面被访问时，访问位设为1； - 需要淘汰一个页面时，按队列顺序检查访问位，访问位为0则换出，访问位为1则设为0； 简单的CLOCK算法仅考虑一个页面最近是否被访问过。事实上，只有被修改过的淘汰页面才需要写回外存，因此没有被修改过的页面应该优先淘汰，避免I/O操作。 改进型的时钟置换算法： -用（访问为，修改位）表示各页面状态； - 第一轮：扫描找到第一个（0,0）页面用于替换，不修改任何标志位； - 第二轮：若第一轮扫描失败，则继续扫描查找第一个（0,1）的帧用于替换，并将扫描过的访问位设为0； - 第三轮：若第二轮扫描失败，则继续扫描查找第一个（0,0）的帧用于替换，不修改任何标志位； - 第四轮：若第三轮扫描失败，则继续扫描查找第一个（0,1）的帧用于替换； ## 页面分配策略 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。 采用了虚拟存储技术的系统中，驻留集一般小于进程总大小。 - 驻留集太小，换页频繁，开销大； - 驻留集太大，并发度小，资源利用率低； 固定分配 VS 可变分配：驻留集大小是否可变； 局部置换 VS 全局置换：是否可以将其他进程的物理块换出； - 固定分配局部置换：很难在刚开始就为每个进程分配合理的物理块数量，灵活性差； - 可变分配全局置换：部分进程物理块被减少，导致缺页率过高； - 可变分配局部置换：根据缺页的频率来动态调整进程物理块； #### 何时调入页面 - 预调页策略：进程运行前预测不久之后可能访问到的页面，用于首次调入，由程序员指出； - 请求调页策略：进程运行期间发现缺页才将所缺页面调入内存，需要频繁的I/O操作； #### 从何处调入页面 外存分为文件区和对换区。 |对换区|文件区| |:---:|:---:| |读写速度快|读写速度慢| |连续分配|离散分配| |一般空间较小|一般空间较大| - 对换区空间充足：进程运行前相关数据复制到对换区，页面调入、调出都在内存和对换区进行； - 对换区空间不足：不会被修改的数据直接从文件区调入； - UNIX方式：运行之前进程相关数据全部放在文件区，运行时内存换出的页面写回对换区； #### 工作集 抖动（颠簸）现象：刚刚换出/换入的页面马上又要换入/换出，频繁缺页。 工作集：在某段时间间隔里（窗口尺寸），进程实际访问页面的集合。 一般驻留集大小不能小于工作集大小，否则容易频繁缺页。