操作系统概念总结笔记——第九章 虚拟内存
本章目标：
1、介绍虚拟内存系统的优点；
2、掌握按需调页概念、页替换算法和帧分配算法；
9.1 背景
虚拟内存（virtual memory）： 将用户逻辑内存与物理内存分开，使得程序不再受现有的物理内存空间限制，为用户提供一个巨大的虚拟地址空间；
虚拟内存允许文件和内存通过共享页而被两个或多个进程所共享，这些共享页按只读方式链接到每个进程的空间； 类似地，虚拟内存允许一个进程创建内存区域，这个共享内存可以用来实现进程间通信；
9.2 按需调页
按需调页：执行程序时，需要把代码从磁盘载入内存，一种做法是将整个程序载入到内存，而不考虑这些代码是否全部会被使用； 另一种做法是在需要时调入相应的页，这种技术被称为按需调页；
对于这种方案，需要区别哪些页在内存里，哪些页在磁盘上，可以通过有效-无效位来实现这一目的：当该位设置为有效时，表示相关页在内存中并且有效， 当该位设为无效时，表示相关页无效或者有效但在磁盘上；
当进程访问标记位为无效的页，即尚未调入内存的页时，会产生页错误陷阱，陷入操作系统，由操作系统进行合法的地址访问，并找到一个空闲帧，调度一个磁盘操作，将所需要的页调入空闲帧中，重新开始陷入前的指令，现在进程就可以访问之前的无效页了；
按需调页的有效访问时间： 设内存访问时间为ｍ，页错误时间为n，页错误率为ｐ，有效访问时间＝(1-p)*m+p*n；
页错误时间的三个主要步骤：1、处理页错误中断； 2、读入页； 3、重新启动进程
9.3 写时复制
写时复制：这种方法允许父进程和子进程开始时共享同一页面，这些页面标记为写时复制页，当其中任意一个进程需要对页进行写操作时，就创建一个共享页的副本，显然只有被进程修改的页才会复制，所有非修改页被父进程和子进程共享；
空闲缓冲池： 当确定一个页要采用写时复制时，操作系统提供一个空闲缓冲池，用于分配空闲页，这些空闲页在进程栈或堆必须扩展时进行分配；
9.4 页面置换
基本页置换： 进程执行过程中需要调页时，如果没有空闲帧，那么就查找当前没有使用的帧，将其从内存里释放，再将所需要的页读入新的空闲帧，并改变页表和帧表，重新启动用户进程；
FIFO置换(First in first out)： 最简单的页置换算法，当必须置换一页时，选择最旧的一页进行置换，可以创建一个队列进行管理；
OPT置换(Optimal page-replacement algorithm)： 考虑之后的页的调用，置换最长时间内不会使用的页，这个算法确保了最低可能的页错误率；
LRU置换(Least-recently-used algorithm): 使用最近的过去作为不远将来的近似，置换最长时间内没有被使用的页；
LFU/MFU(least frequently used/ most frequently): 使用计数器保存每个页的引用次数，替换最不经常使用/最近常使用的页，这两种算法比较近似，且都费时；
9.5 帧分配
帧分配的策略受到多方面的影响，首先，所分配帧的数量不能超过可用帧的数量（除非有页共享），其次，分配给进程的帧数量过少会导致页错误的增加，从而减慢进程的执行；
分配算法包括平均分配和比例分配；
平均分配：在n个进程之间分配m个帧，最容易的做法是给一个平均值，即m/n帧，把余下的帧放入空闲帧缓存池；
比例分配：根据进程大小，将内存分配给每个进程；
页置换算法包括全局置换和局部置换；
全局置换：进程从所有帧集合中选择一个置换帧，而不管该帧是否分配给其他进程，即从另一个进程里拿到帧；
局部置换：进程从自己的分配帧中进行选择；
采用局部置换，分配给每个进程的帧的数量不变； 采用全局置换，进程的帧的数量可能会增加；
9.6 系统颠簸
颠簸（thrashing）：如果进程没有它所需要的活跃使用的帧，那么它会一直产生页错误，频繁地进行页调度，若一个进程的换页时间多于执行时间，那么这个进程就在颠簸；
颠簸的原因： 操作系统监测CPU的使用率，如果CPU使用率过低，那么系统就会引入新的进程，以增加多道程序的程度； 采用全局置换算法，执行进程会从其他进程中取出帧，然而这些进程也需要帧，所以它们会出现页错误，随着它们使用调页设备换出页和换入页，就绪队列就会变空，而进程等待调页设备，CPU使用率就会下降；
通过局部置换算法可以限制颠簸，如果一个进程开始颠簸，它并不能从其他进程拿到帧，使得后者也不会因此产生颠簸；
为了防止颠簸，需要为进程提供更多的帧；