操作系统概念-第九版 期末复习 第九章虚拟内存

操作系统概念第九版期末复习

第九章 Virtual Memory

虚拟内存是一种不需要将整个进程加载到内存中执行的技术。

加载实际需要的进程部分(并且仅在需要时)有几个好处:

1. 程序可以比计算机上物理内存空间更大
2. 每个进程只使用总地址空间的部分,因此留给其他程序的内存更多,从而提高了 CPU 利用率和系统吞吐量
3. 交换进程所需IO更少,加快速度

虚拟内存允许多个进程共享文件和内存

1. 将系统库映射到多个进程的虚拟地址空间来共享
2. 将同一内存块映射到多个进程来共享虚拟内存
3. 进程页可以在fork() 期间共享,无需复制原始(父)进程的所有页面(写时复制)

虚拟内存需求分页，仅当在程序执行期间要求页面时,才会加载(分页)。

如图所示，使用有效/无效位标记页表中的哪些页被加载到内存中

Page fault

内存中提供所需的页面后,必须从头开始重新启动指令

保持较低的页面故障率非常重要

写时复制

Page replacement

如果某个进程突然决定需要更多页面并且没有任何可用帧,，会在内存中查找当前未使用的某个页面,并将该页交换到磁盘,从而释放可分配给请求该页的进程

1. 在交换空间或文件系统中查找所需页面在磁盘上的位置。
2. 查找空闲frame:a.如果有空闲frame,使用。b.如果没有空闲frame,使用页面替换算法选择要替换的现有frame,称为受害者frame。c.将受害frame写入磁盘。更改所有相关页表以指示此页不再在内存中。
3. 读取所需的页面并将其存储在frame中。调整所有相关的页面和frame表以指示更改。
4. 重新启动等待此页面的进程。

考虑的因素：1.给每个进程分配多少frame？2.怎么寻找受害者？

Page Replacement 算法

1. FIFO先进先出（贝莱第异常：增加可用frame数可能会增加发生的页面错误数）
2. OPT [Optimal Page Replacement]（最优理想算法：替换将来长时间不使用的页面）
3. LRU算法（Least Recently used）
4. ****Bits Algorithm（8位引用位，每一段时间右移一位）
5. Second Chance Algorithm又叫做时钟算法（如果表中的所有引用位都已设置,则降级为FIFO）
6. Enhanced Second Chance Algorithm(一个引用位，一个修改位)
   ( 0, 0 ) - 最近既没使用也没修改过。( 0, 1 ) - 最近未使用,但已修改。( 1, 0 ) - 最近使用,但未修改。( 1, 1 ) - 最近使用和修改过
   如果可能,首选替换干净的页面。最先选择（0，0）

1.保留空闲帧池(缓冲区),出现页面错误时,从这个池中读取所需的页面。如有必要,稍后会将受害帧换出并放入空闲帧池中
2.可能的话，保留已修改页列表，当备份存储空闲时,将页面写入其中并设置为未修改
3.可能的话,保持自由帧内容不变,以防以后再次使用。

给每个进程分配多少frame？

1. 平均分配
2. 按进程大小比例分配
3. 根据页错误率分配帧。如果页面错误率超过某个上限,则该进程需要更多的帧,如果低于给定的下限,则它有能力将其部分帧放弃给其他进程。

一个大问题是帧分配(页面替换)是在本地级别还是全局级别发生。（本地页面替换允许进程更好地控制自己的页面故障率）

颠簸问题

进程花在换页的时间比进程运行的时间还多，这叫颠簸。
早期进程调度方案基于 CPU 利用率,在 CPU 利用率低时添加更多进程。问题是,当内存填满,进程开始花费大量时间等待其页面,然后 CPU 利用率将降低,导致添加更多的进程,并加剧问题。

working set model 工作集模式
进程经常会频繁的访问内存中的一些页

定义长度量的工作集窗口

页面故障率与工作集之间存在直接关系,因为进程从一个局部地移动到另一个局部，因而长度量的选择对于工作集模型的成功至关重要。

虚拟内存技术将文件 I/O 视为常规内存访问

其他的考虑

1. 预测会使用到的页面而提前页面替换
2. 页面大小的考虑。（当前规范的范围为4K到4M,随着时间的推移,页面大小会变大。）
3. TLB Reach
4. 反向页表 inverted page table
5. 二维数组按行还是按列存取更快（按行遍历比按列遍历快）
6. 页面锁定