外存资源管理

外存空间划分
静态等长，2i, 称为一块(block)，块是外存分配的基本单位，也是IO传输的基本单位。
如果需求不足一个完整块，会形成块内“零头”。由于外存空间很大，块内零头忽略。
外存空间分配
空闲块链(慢)：所有空闲块连成一个链
空闲块表(UNIX)：相连的空闲块记录在同一表项中

字位映像图：用1位表示一个块的状态

界地址
每进程占一组外存连续块；
每进程占二组外存连续块(双对界)。
页式
内存一页，外存一块。内存页与外存块长度相同。
段式
每段占外存若干连续块，进程的多个段之间在外存可以不连续。
段页式

内存一页，外存一块。内存页与外存块长度相同。段内多页所对应的外存块可以不连续，一个进程的多段可以分散在外存的不同区域中。

虚拟存储系统

虚拟存储
进程部分装入内存，部分（或全部）装入外存，运行时访问在外存部分动态调入，内存不够淘汰。

虚拟页式存储管理

进程运行前：
部分(全部)装入外存，部分装入内存。
进程运行时：
访问页不在内存，发生缺页中断，中断处理程序：
找到访问页在外存的地址；
在内存找一空闲页面；
如没有，按淘汰算法淘汰一个；
如需要，将淘汰页面写回外存，修改页表和总页表；
读入所需页面（切换进程）；
重新启动中断指令。

内存页框分配策略(静态策略)

1. 平均分配：将内存中的所有物理页框等分给进入系统中的进程。如内存128页，进程25个，每个进程5个页框

2. 按进程长度比例分配：按程序长度的比例确定分配内存的物理页框数。

pi共si个页面；S=si；内存共m个页框
分配给进程pi的物理页框数ai=(si/S)*m
例：内存物理页框62，系统2个进程，p1逻辑页面127，p2逻辑页面10，则p1分得57个物理页框，p2分得5个物理页框。

3. 按进程优先级比例分配：根据优先级别按比例分配内存物理页面。方法2中si表示进程pi的优先级。
4. 按进程长度和优先级别比例分配：方法2和方法3的结合。此时，方法2中si为进程pi逻辑页面数与优先级之和。

以上4种方法都是静态的，静态策略没有反映：
　　(1)程序结构；
　　(2)程序在不同时刻的行为特性。

外存块的分配策略

1. 静态分配：
外存保持进程的全部页面，当某一外存页面被调入内
存，所占用的外存页面并不释放：
优点：速度快--淘汰时不必写回(未修改情况)
缺点：外存浪费
2. 动态分配
外存仅保持进程不在内存的页面，当某一外存页面被调
入内存，将释放所占用的外存页面：
优点：节省外存
缺点：速度慢--淘汰时必须写回

页面调入时机

1. 请调(demand paging)
upon page fault, 发生缺页中断时调入。
缺点：从缺页中断到所需页面被调入内存，期间对应的进
程需要等待，将影响进程的推进速度。
2. 预调(prepaging)
before page fault, 将要访问时调入(根据程序顺序行为，
不一定准)。预调可以节省因页故障而等待的时间。
当访问预先未调入内存的页面时，会发生缺页中断，因此
预调必须辅以请调。

置换算法(replacement algorithm)

最佳淘汰算法(OPT--optimal)：淘汰以后不再需要的或者在最长时间以后才会用到的页面。

先进先出(FIFO)：淘汰最先调入内存的页面。
依据: 先进入的可能已经使用完毕。
实现：将所有页面按照进入内存的次序排成一个队列，当一个页面由外存调入内存时排入队尾，当需要淘汰时取队头页面。

使用过最久的先淘汰（LRU）
淘汰最近一次访问时间距离当前时间间隔最长的页面。stack
当一页面被访问时，如在栈中，取出压到栈顶；否则直接压入栈顶，满时淘汰栈底。
最近不用的先淘汰(not used recently,NUR):淘汰最近一段时间未用过的页面。
在实现时，为每一个页面增加两个硬件位，分别为
①引用位=0，此页未被访问过；
②引用位=1，此页曾被访问过；
③修改位=0，此页未被修改过；
④修改位=1，此页曾被修改过。

一个页面由外存调入内存时，其引用位和修改位均为0.当对某页面执行写操作时，其引用位和修改位均为1；当对某页执行读操作时，其引用位为1；每隔固定时间将所有引用位清零。

最不经常使用的先淘汰(LFU)：淘汰使用次数最少的。

依据: 活跃访问页面应有较大的访问次数.

最经常使用的先淘汰(MFU)

淘汰使用次数最多的。

二次机会：淘汰装入最久且最近未被访问的页面。

实现时：采用拉链数据结构。

时钟算法：将页面组织成环形，有一个指针指向当前位置。每次需要淘汰页面时，从指针所指的页面开始检查。如果当前页面的访问位为0，即从上次检测到目前，该页没有访问过，则将该页替换。如果当前页面的访问位为1，则将其清0，并顺时针移动指针到下一个位置。重复上述步骤直至找到一个访问位为0的页面。

考虑修改标志m
r=0, m=0：最佳
r=0, m=1：次佳，淘汰前回写
r=1, m=0：再次
r=1, m=1：最后，淘汰前写回

改进时钟算法：

步骤1：
由指针当前位置开始扫描，选择最佳淘汰页面，不改变引用位，将第一个遇到的r=0且m=0的页面作为淘汰页面；
步骤2：
如步骤1失败，再次从原位置开始，找r=0且m=1的页面，将第一个满足上述要求的页面作为淘汰页面，同时将扫描过页面的r位清0；
步骤3：
若步骤2失败，指针再次回到原位置，重新执行步骤1。若还失败再次执行步骤2，此时定能找到。

颠簸(thrashing)

页面在内存与外存之间频繁换入换出。
原因： (1) 分给进程物理页架过少；
(2) 淘汰算法不合理；
(3) 程序结构不好。
处理：(1) 增加分给进程物理页架数；
　　　　(2) 改进淘汰算法；
　　　　(3) 改善程序结构。
在某些虚拟页式存储管理系统中，内存中总保持一个空闲的物理页框，这样做有什么好处？
答：在内存没有空闲页框的情况下，需要按照置换算法淘汰一个内存页框，然后读入所缺页面，缺页进程一般需要等待两次I/O传输。

若内存总保持一个空闲页框，当发生页故障时，所缺页面可以被立即调入内存，缺页进程只需等待一次I/O传输时间。读入后立即淘汰一个内存页面，此时可能也需执行一次I/O传输，但对缺页进程来说不需等待，因而提高了响应速度。

工作集模型：进程在一段时间内所访问页面的集合。

与时间和窗口尺寸有关

页故障率反馈模型

PFFB(Page Fault Feed Back)：动态调整页面的分配
页故障率高(达到某上界阈值)：内存页框少，增加。
页故障率低(达到某下界阈值)：内存页框多，减少。

虚拟段式存储系统

进程运行前，主程序段装入内存，其它段装入外存，访问段不再内存时，发生缺段中断。
若内存空间不够
紧凑：将内存中的所有空闲区合并
淘汰：将内存中的某段移至外存

段的动态连接

动态连接 vs. 静态连接
静态连接：运行前连接，由link完成(对程序库进行扫描，将整个程序涉及到的目标模块逐个调入内存并连接在一起)；一个程序共有多少个段是确定的，因而link可以为每一个段分配一个段号；
动态连接：运行时连接，由OS完成.(在程序运行过程中需要某一个段时才将该段连接上)；一个程序共有多少个段是不确定的，因而段名到段号的转换需要由操作系统来完成的。

动态连接与共享的矛盾

动态连接：修改连接字（代码）
段的共享：要求纯代码（pure code)
解决方法
共享代码分为“纯段”和“杂段”
纯段共享，
杂段私用。

虚拟段页式存储系统

一个段对应一个程序单位，是二维地址
方便存储共享和保护
可以实现段长度的动态变化，以及段间的动态连接

但对存储空间的分配和去配较复杂，可能形成碎片

中断处理：

连接中断缺页中断越界中断（段号，段内页号）越权中断

分页对用户是透明的，分段对用户是可见的

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