操作系统 第五章虚拟器存储器（自我总结式）
一、虚拟存储器的基本概念
1.常规存储管理方式的特征：一次性、驻留性
2.局部性原理：
程序在执行时常呈现局部性规律，并表现在两个方面
- 时间局部性。如果程序小红放入某条指令一旦执行，则不久以后该指令可能再次执行，如果某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作
- 空间局部性。一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行。
3.虚拟存储器的定义及大小计算
1）定义：
虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
- 大小计算：
实质：物理上不存在，利用海量外存进行内存“空间”的扩展
逻辑容量：取决于内存容量和外存容量之和
4.虚拟存储器具有的特征：
1）离散性（最基本的特征）
2）多次性
3）对换性
4）虚拟性
5.虚拟存储器的实现方法
1）分页请求系统（页式虚拟存储系统）
（1）=基本分页系统+请求调页功能+页面置换功能
（2）硬件支持：请求分页的页表机制，缺页中断机构，地址变换机构
（3）软件支持：请求分页，页面置换
2）请求分段系统（段式虚拟存储系统）
（1）=基本分段系统+请求调段功能+分段置换功能
（2）硬件支持：请求分段的段表机制，缺段中断机构，地址变换机构
（3）软件支持：请求分段，段的置换
二、请求分页存储管理方式
在基本分页的基础增加了请求调页功能和页面置换功能，形成了能支持虚拟存储功能的请求分页系统，这在计算机技术需要哪些支持？
答：页面机制，缺页中断机构以及地址变换机构
- 硬件上支持：
1）页表机制调整
增加的位作用：地址转换
意义：供程序（数据）在换进，换出时参考
2）缺页中断机构
与其它中断的异同：
- 在指令执行期间产生和处理中断信号
- 一条指令执行期间可能产生多次缺页中断
- 地址变换机构
地址如何完成重定位：
在进行地址变换时，首先去检索快表，试图从中找出所要访问的页。若找到，便修改页表项中的访问位。对于写指令，还需将修改位置成“1”，然后页表项中给出的物理块号和页内地址，形成物理地址。
- 软件上支持：
1）页面置换实现的软件
2）请求调页的软件
- 内存分配
- 最小物理块数的确定：
保证进程正常运行所需的最小物理块数
与硬件结构有关，取决于指令的格式，功能和寻址方式
- 内存分配策略
- 内存分配：
固定分配：为进程分配的物理块数固定不变
可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，若发生缺页中断，再增加物理块数
- 内存置换：
全局置换：可将系统中任一进程的内存页换出
局部置换：只能将自己的某个内存换出
- 组合出以下三种适用策略：
固定分配局部置换
可变分配全局置换
可变分配局部置换
- 物理块分配算法
- 平均分配算法
- 按比例分配算法
- 考虑优先权的分配算法
- 页面调入策略
1）何时调入页面：
预调页策略：进程首次调入内存时，由程序员指出应该先调入哪些页
请求调页策略：进程运行中发生缺页时，提出请求，由OS将其所需页面调入内存
2）何处调入页面：
请求分页系统将外存分为两部分：
- 文件区（离散分配）
- 对换区（连续分配）
发生缺页请求时，有以下三种情况：
（1）系统拥有足够的对换区空间
（2）系统缺少足够的对换区空间
（3）UNIX方式
- 页面调入过程：
- 若发生缺页，便向CPU发出缺页中断
- 中断处理程序保存CPU环境，转中断处理程序
- 该程序查找页表，得到该页在外存中的块号
- 若内存未满，启动磁盘I/O调入页面；若内存已满，先置换再调入
- 修改页表项内容，并写入快表
- 缺页率
（1）定义以及计算公式：
假设一个进程的逻辑空间为n页，系统为其分配的内存物理块数为m(m≤n)。如果在进程的运行过程中，访问页面成功(即所访问页面在内存中)的次数为S，访问页面失败(即所访问页面不在内存中，需要从外存调入)的次数为F，则该进程总的页面访问次数为A = S + F，那么该进程在其运行过程中的缺页率即为 f=F/A
（2）影响因素：
A.页面大小
B.进程分配的物理块数
C.页面置换算法
D.程序固有特性
- 缺页中断处理时间公式
假设被置换的页面被修改的概率是β，其缺页中断处理时间为ta，被置换页面没有被修改的缺页中断时间为tb，那么，缺页中断处理时间的计算公式为
t =β×ta+(1—β)×tb
三、页面置换算法
1.定义:
通常，把选择换出页面的算法称为页面置换算法
2.“抖动”产生的原因
置换算法的好坏将直接影响系统的性能，不适当的置换算法可能导致系统出现“抖动”现象
3.常用置换算法：
1）最佳置换算法（OPT）
A.基本思想：
淘汰以后永不使用的或未来最长时间内不再被访问的页面
B优缺点：
理论上：缺页率低，性能最佳
实际上：无法预知，实现困难；通常用于评价其他算法的优劣
2）先进先出页面置换算法（FIFO）
A.基本思想：
淘汰最先进入内存的页面，即驻留内存时间最长的页面
B.优缺点：
实现简单
与进程实际运行的规律不相适应，有些页面经常被访问
3）LRU置换算法
A.基本思想：
淘汰在最近一段时间最久未被使用（访问）的页面
B.优缺点：
性能较好
实现较为复杂；设置访问字段；需要硬件支持（配置寄存器或栈）
- LFU置换算法
A.基本思想：
在采用LFU算法时，应为在内存中的每个页面设置一个移位寄存器，用来记录该页面被访问的频率。该置换算法选择在最近时期使用最少的页面作为淘汰页。每次访问某页时，便将该移位寄存器的最高位置1，再每隔一定时间(例如100 ms)右移一次。这样，在最近一段时间使用最少的页面将是∑Ri最小的页。
B.优缺点：
LFU算法并不能真正反映出页面的使用情况，因为在每一时间间隔内，只是用寄存器的一位来记录页的使用情况，因此，访问一次和访问10 000次是等效的
5）Clock置换算法
A.基本思想：
为每页设置一位访问位；
将内存中所有页面链接成一个循环队列，并增设替换成指针；
由页面管理软件周期性地访问所有访问位置0,当某页被访问时，将其访问位置“1”。
6）改进型Clock置换算法
A.基本思想：
（1）从指针所指示的当前位置开始，扫描循环队列，寻找A=0且M=0的第一类页面，将所遇到的第一个页面作为所选中的淘汰页。在第一次扫描期间不改变访问位A
（2）如果第一步失败，即查找一周后未遇到第一类页面，则开始第二轮扫描，寻找A=0且M=1的第二类页面，将所遇到的第一个这类页面作为淘汰页。在第二轮扫描期间，将所有扫描果的页面的访问位置都置0
（3）如果第二步也失败，亦即未找到第二类页面，则将指针返回到开始的位置，并将所有的访问位置复0。然后重复第一步，如果仍失败，必要时再重复第二步，此时就一定能找到被淘汰的页。
B.优缺点
可减少磁盘的I/O操作次数，实现该算法本身的开销将有所增加
- PBA算法
A. 影响页面换进换出效率的若干因素
（1）页面置换算法。
（2）写回磁盘的频率。
（3）读入内存的频率。
B.优缺点:
（1）显著地降低了页面换进、换出的频率，使磁盘I/O的操作次数大为减少，因而减少了页面换进、换出的开销；
（2）正是由于换入换出的开销大幅度减小，才能使其采用一种较简单的置换策略，如先进先出(FIFO)算法，它不需要特殊硬件的支持，实现起来非常简单。
4.Blady奇异
指置换策略不满足随着驻留集的增大，页故障数一定减少的规律。
- ”抖动”与工作集
1.多道程序度与处理机利用率之间矛盾之处以及如何平衡
由于虚拟存储器系统能从逻辑上扩大内存，这时，只需装入一个进程的部分程序和数据便可开始运行，故人们希望在系统中能运行更多的进程，即增加多道程序度，以提高处理机的利用率。
2.产生”抖动”的原因
根本原因：发生“抖动”的根本原因是，同时在系统中运行的进程太多，由此分配给每一个进程的物理块太少，不能满足进程正常运行的基本要求，致使每个进程在运行时，频繁地出现缺页，必须请求系统将所缺之页调入内存。
3.缺页率与物理块数之间关系以及为何引入工作集
4.工作集定义
所谓工作集，是指在某段时间间隔Δ里，进程实际所要访问页面的集合
5.如何预防”抖动”
1）采取局部置换策略
2）把工作集算法融入到处理机调度中
3）利用“L=S”准则调节缺页率
4）选择暂停的进程
五、请求分段存储管理方式
1.请求分段的基本原理
1）请求段表机制
（1）增加的位：
存取方式
访问字段A
修改位M
存在位P
增补位
外存始址
（2）作用及其意义：
基本作用：地址转换
供程序在调进，调出时参考
2）缺段中断机构
3）地址变换机构
2.分段的共享
1）数据结构: 共享段表的组成
（1）共享进程计数count。
（2）存取控制字段。
（3）段号。
2）共享段表管理机制
（1）共享段的分配
对第一个请求使用该共享段的进程；
对其他调用该共享段的进程；
（2）共享段的回收
当进程不再需要共享时；撤销共享段的表项；执行count=count-1,仅当count=0时，由系统回收共享段的物理内存。
3.分段的保护
1）越界检查
在段表寄存器中放有段表长度信息；同样，在段表中也为每个段设置有段长字段。在进行存储访问时，首先将逻辑地址空间的段号与段表长度进行比较，如果段号等于或大于段表长度，将发出地址越界中断信号；其次，还要检查段内地址是否等于或大于段长，若大于段长，将产生地址越界中断信号，从而保证了每个进程只能在自己的地址空间内运行
- 存取控制检查
在段表的每个表项中，都设置了一个“存取控制”字段，用于规定对该段的访问方式。通常的访问方式有：
（1）只读，即只允许进程对该段中的程序或数据进行读访问。
（2）只执行，即只允许进程调用该段去执行，但不准读该段的内容，也不允许对该段执行写操作。
（3）读/写，即允许进程对该段进行读/写访问。
3）环保护机制
这是一种功能较完善的保护机制。在该机制中规定：低编号的环具有高优先权。OS核心处于0环内；某些重要的实用程序和操作系统服务占居中间环；而一般的应用程序则被安排在外环上。在环系统中，程序的访问和调用应遵循以下规则：
（1）一个程序可以访问驻留在相同环或较低特权环中的数据。
（2）一个程序可以调用驻留在相同环或较高特权环中的服务。
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