虚拟内存

1、虚拟内存的基本概念

局部性原理

时间局部性:如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行;如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。(因为程序中存在大量的循环)

空间局部性:一日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很有可能被访问。(因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的)

那么如何应用局部性原理呢？

高速缓冲技术的思想:
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存储器中。

实际电脑中含有外存（如磁盘）、内存、高速缓存、寄存器。外存与内存相对成本低、速度慢，容量较大；高速缓存和寄存器速度快、成本高，容量较小。

虚拟内存定义：

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，就可以让程序开始执行。
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到外存。
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。

易混知识点:
虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构(CPU寻址范围)确定的

虚拟内存的实际容量=min(内存和外存容量之和，CPU寻址范围)
如:某计算机地址结构为32位，按字节编址，内存大小为512MB，外存大小为2GB则虚拟内存的最大容量为2的32次方B=4GB
虚拟内存的实际容量=min(4GB，512MB+2GB)=2GB+512MB

虚拟内存的三个主要特征:

多次性:无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。
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。

2、请求分页管理方式

请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别：

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。（操作系统要提供请求调页功能，将缺失页面从外存调入内存）

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到外存。（操作系统要提供页面置换的功能，将暂时用不到的页面换出外存）

相对基本分页存储管理中的页表，请求分页存储管理的页表项增加了四个字段：

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：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

新增步骤1：请求调页（查到页表项时进行判断，即内存缺页即需要从外存调页）

新增步骤2：页面置换（需要调入页面，但没有空闲内存块时，需要按照某个页面置换算法将内存块的某个页面与调入的页面进行置换）

注意：缺页时未必发生页面置换，若内存空闲，则不会发生页面置换。

新增步骤3：需要修改请求页表中新增的表项。

★ 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，放入就绪队列。

若该页面在内存期间被修改过，要将其写回外存。

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。（如指令需完成的是将A的数据复制到B，A、B属于不同的页面，若此时两个页面都在外存，那么就会产生两次缺页中断）

3、页面置换算法

页面的换入、换出需要磁盘I/O，会有较大的开销，因此算法追求更少的缺页率。

算法名称	算法规则	优缺点
最佳置换算法	淘汰的页面是在最长时间内不会访问的页面。	缺页率小，性能最好，但无法实现
先进先出置换算法	淘汰的页面是最早进入内存的页面。	实现简单，但性能最差，可能出现Belady异常（分配多的内存块与分配少的内存块相比前者缺页率高）。
最近最久未使用置换算法	淘汰的页面是最近最久未使用的页面	性能很好，但需要硬件支持，算法开销大
简单时钟置换算法	循环扫描各页面，第一轮淘汰访问位=0的，并将扫描过的页面访问位改为0，若第一轮没选中，进行第二轮扫描。	实现简单，算法开销小，且未考虑页面是否被修改过
改进型时钟置换算法	用(访问位，修改位)的形式表示：第一轮淘汰（0，0）；第二轮讨论（0，1），并将扫描过的页面访问位置为0；第三轮讨论（0，0）；第四轮淘汰（0，1）	算法开销小，性能也不错

改进型的时钟置换算法

简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过就不需要执行I/0操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。

改进型的时钟置换算法的思想：除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/0操作。

修改位=0，表示页面没有被修改过;修改位=1，表示页面被修改过。

为方便讨论，用(访问位，修改位)的形式表示各页面状态。如(1，1)表示一个页面近期被访问过，且被修改过。

算法规则:将所有可能被置换的页面排成一个循环队列

第一轮:从当前位置开始扫描到第一个(00)的帧用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
第二轮:若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(01)的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
第三轮:若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(00)的帧用于赫换。本轮扫描不修改任何标志位
第四轮:若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(01)的帧用于替换。
的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为0
第三轮:若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(00)的帧用于赫换。本轮扫描不修改任何标志位
第四轮:若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个(01)的帧用于替换。
由于第二轮已将所有帧的访问位设为0，因此经过第三轮、第四轮扫描一定会有一个帧被选中，因此改进型CLOCK置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描。

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