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第三章 内存管理2 - 虚拟内存

目录

  • 第三章 内存管理2 - 虚拟内存
      • 虚拟内存的定义
      • 虚拟内存的特征
    • 虚拟内存的实现
      • 请求分页存储管理
        • 页表机制
        • 缺页中断（内中断）
        • 地址变换机构
        • 请求分页中的地址变换过程
        • 页面置换算法
          • 1、最佳置换算法 OPT
          • 2、先进先出置换算法 FIFO
          • 3、最近最久未使用算法 LRU
          • 4、时钟置换算法 CLOCK / 最近未使用算法 NRU
      • 请求分段存储管理
      • 请求段页式存储管理
    • 页面分配策略
      • 固定分配 / 可变分配
      • 局部 / 全局置换
      • 何时调入页面
      • 从何处调入页面
      • 驻留集 / 工作集区别

虚拟内存的定义

基于局部性原理，在程序装入时，将会用到的部分装入内存，暂时不用的部分留在外存，程序就可以执行。在操作系统的管理下，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。

  • 若访问信息不在内存，由操作系统从将信息从外存调入内存。（请求调页）

  • 若内存空间不够，将暂时不用的信息换出到外存。（页面置换）

虚拟内存的特征

  1. 多次性：作业运行无需一次全部装入内存，允许多次调入内存。
  2. 对换性：作业运行时无需常驻内存，允许在运行过程中换入换出。
  3. 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，用户看到的内存容量远大于实际容量。

虚拟内存的实现

请求分页存储管理

页表机制

页号 内存块号 状态位 访问字段 修改位 外存地址
0 c 1 0 0 x
1 b 1 10 0 y
2 无 0 6 1 z

在基本分页存储管理的基础上，增加了：

  • 状态位：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 / 上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时间时参考
  • 修改位：表示页面调入内存后是否被修改过，只有修改过的页面才需要在置换时写回外存
  • 外存地址：页面在外存中存放的位置

缺页中断（内中断）

在请求分页系统中，若要访问的页面不在内存，则产生一个 缺页中断，由操作系统的 缺页中断处理程序 处理。

缺页的进程阻塞，放入阻塞队列。调页完成后唤醒，放回就绪队列。

  • 将目标页面调入内存，必要时换出页面

  • 缺页中断属于内中断中的“故障”，即可能被系统修复的异常

  • 一条指令在执行过程中可能产生多次缺页中断，如 copy A to B

地址变换机构

重点关注与基本分页不同的地方：

  • 找到页表项时，需要检查是否在内存中
  • 若页面不在内存中，需要请求调页
  • 若内存空间不够，需要换出页面
  • 页面调入内存后，需要修改响应页表项

请求分页中的地址变换过程

页面置换算法

1、最佳置换算法 OPT

每次选择 最长时间不再被访问 的页面淘汰，保证缺页率最低。由于无法预测未来，实际上是无法实现的。

2、先进先出置换算法 FIFO

每次淘汰 最早进入内存 的页面。将页面根据先后顺序排成一个队列，每次淘汰队头页面即可。

① 分配 3 个内存块时，缺页次数 9 次

② 分配 4 个内存块时，缺页次数 10 次

Belady 异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。只有 FIFO 算法会产生 Belady 异常，并没有考虑到金橙世纪运行时规律。算法性能差。

3、最近最久未使用算法 LRU

每次淘汰 最近最久未使用 的页面。性能好，但是开销大。需要硬件支持。

4、时钟置换算法 CLOCK / 最近未使用算法 NRU
  1. 简单的 clock 算法

用 (访问位) 表示页面状态。0 表示未访问过，1 表示访问过。

算法规则：

  • 某页被访问时，访问位置为 1
  • 第一轮：如果是 0，则将该页换出；如果是1，则置 0 且暂不换出
  • 第二轮：一定能找到访问位为 0 的页面
  1. 改进的 clock 算法

用 (访问位,修改位) 表示页面状态。0 表示未被访问 / 未被修改过，1 表示被访问 / 修改过。

算法规则：

  • 第一轮：从当前位置开始扫描到 第一个 (0,0) 的帧用于替换

    • 最近没访问，且没修改的页面
  • 第二轮：第一轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,1) 的帧用于替换，同时将 扫描过的访问位改为 0
    • 最近没访问，但修改过的页面
  • 第三轮：第二轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,0) 的帧用于替换
    • 最近访问过，但修改过的页面
  • 第四轮：第三轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,1) 的帧用于替换
    • 最近访问过，且修改过的页面

注：由于第二轮已将所有帧的访问位置 0，因此经过第三、四轮扫描一定会有帧被选中。

请求分段存储管理

暂无

请求段页式存储管理

暂无

页面分配策略

固定分配 / 可变分配

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。根据 驻留集大小是否可变，分为：

  • 固定分配：驻留集大小不变。操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块
  • 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。

局部 / 全局置换

根据 页面置换时的置换范围，分为：

  • 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：可以将空闲物理块分配给缺页进程，也可将别的进程的物理块置换到外存，再分配给缺页进程。

何时调入页面

  • 预调页策略：（运行前调入）略主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些部分。
  • 请求调页策略：（进程运行期间使用）发现缺页时，才将所缺页面调入内存。

从何处调入页面

  1. 对换区空间足够

    页面的调入、调出都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。

  2. 对换区空间不足

    不会被修改的数据，直接从文件区调入，换出时不写回。

    可能被修改的部分，换出时写回磁盘对换区，需要时再从对换区调入。

  3. UNIX 方式：运行前，进程数据全部放在文件区。使用过的页面换出到对换区，需要时从对换区调入。

驻留集 / 工作集区别

  • 驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合。
  • 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”来算出工作集。例：

某进程的页面访问序列如下，窗口尺寸为4，各时刻的工作集为？

驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页，发生抖动现象。

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