第5章 虚拟存储器

虚拟存储器的定义：所谓“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。

虚拟存储管理下

内存逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定

运行速度接近于内存速度

每位的成本却接近于外存。

虚拟存储器的实现

虚拟存储管理：允许将一个作业分多次调入内存。

虚拟存储器的特征

离散分配方式是基础

多次性：一个作业被分成多次调入内存运行

对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出。（进程整体对换不算虚拟）

最终体现虚拟性：能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。

2. 请求分页存储管理方式

基本分页 + “请求调页”和“页面置换”功能。

换入和换出基本单位都是长度固定的页面

增加虚拟功能后需记录的页表项信息有变化：

(1) 状态位P ：指示该页是否已调入内存。

(2) 访问字段A ：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问。(置换时考量的参数)

(3) 修改位M ：该页在调入内存后是否被修改过。(关系到置换时调出的具体操作)

(4) 外存地址：用于指出该页在外存上的地址。

②缺页中断机构

每当要访问的页面不在内存时，便产生一缺页中断通知OS，OS则将所缺之页调入内存。作为中断，需经历几个步骤：

“保护CPU环境”

“分析中断原因”

“转入缺页中断处理程序”

“恢复CPU环境”等。

作为一种特殊中断，与一般中断有明显区别：

(1) 在指令执行期间产生和处理中断信号。

(2) 一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。

3.页面置换算法

页面置换算法(page replacement algorithms)：选择换出哪些页面的算法，其好坏直接影响系统的性能。

应具有较低的缺页率：

页面调入次数（缺页次数）/总的页面使用次数

1.最佳Optimal置换算法

2.先进先出FIFO置换算法

3.最近最久未使用(LRU)置换算法

4.CLOCK置换算法

5.其他

1）最佳（Optimal）置换算法

优点：保证获得最低的缺页率

不足：无法实现，因为无法预知一进程将来的运行情况

作用：作为参照标准，评价其他算法。

2）先进先出置换算法（FIFO）

先进入的先淘汰，即选择内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

优点：实现简单，把一进程已调入内存的页面按先后次序组织成一个队列，并设置一个指针(替换指针)，使它总是指向队首最老的页面。

不足：与进程实际运行规律不相适应（较早调入的页往往是经常被访问的页，频繁被对换造成运行性能降低）

Belady现象：出现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常现象。

描述：一个进程P要访问M个页，OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时，PE(S, N)时而增大，时而减小。

Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾，即被置换的页面并不是进程不会访问的。

3）最近最久未使用(LRU)置换算法

无法预测将来的使用情况，只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，因此，LRU置换算法选择最近最久未使用（least recently used）的页面予以淘汰。

4）轮转算法(clock)

抖动

系统抖动：

为了提高处理机利用率，可增加多道程序并发度；

但进程数目增加过多，每个进程分配得到的物理块太少，在某个临界点上，会出现刚被淘汰的页很快又需重新调入；而调入不久又被淘汰出去；出现频繁缺页

大部分处理器时间都用在来回的页面调度上，这种局面称为系统抖动或颠簸（thrashing)

抖动的后果：

缺页率急剧增加

内存有效存取时间加长，

系统吞吐量骤减；系统已基本不能完成什么任务，而是忙于页面对换操作，cpu虽然忙，但效率急剧下降。

根本原因：

页面淘汰算法不合理；分配给进程的物理页面数(驻留集)太少。

常用防抖动方法：

局部置换策略；

页面调入内存前检查各进程工作集，为缺页率高的增加有限物理块；

L缺页间的平均时间=S置换一个页面所需时间，可使磁盘和cpu达到最大利用率；

抖动发生时选择暂停一些进程，调节多道程序度。