挑战408——操作系统（24）——存储系统的性能分析

我们根据前面知道，进程在运行的时候没有必要将其所有页面调入内存，因此操作系统必须决定要把进程的多少页调入到内存中。于是考虑以下因素：

1. 分配进程给进程的存储块数越少，驻留在内存中的进程数就越多
2. 进程在内存中所分得的存储块数越少，缺页率也就越高。
3. 进程在内存中块数达到一定数量后，根据局部性原理，即使给再多的存储块，那么进程的缺页率也不会有明显的改善。

所以怎么给进程分配合理的存储块数是一个难题。目前有两种方式：
（1）固定分配方式：在内存中为进程分配固定存储块数，在进程创建的时候就已经确定，其数量由操作员的经验确定。在进程运行后，只要缺页了就进行换出。但是进程在内存中的存储块数是不变的。
（2）可变分区方式：指分配给进程的存储块数在进程的生命周期内不断发生变化，如果某个进程缺页率较高，那么就额外再为其分配一些存储块，反之减少其分配的存储块。但是这对进程的行为随时进行评估，势必会造成系统的额外开销。

除此之外，怎样对存储块内的页面进行换入换出，又是一个要考虑的问题。（这里分清楚，页面置换算法是怎么置换的过程，而换入换出策略，考虑的是何时，何处换出）
常见的方式有：

1. 固定分配，局部置换。局部置换，是指在缺页所在的进程当中（也就是所分配给进程的内存块范围内）中选择一页置换出去，但是其难点依旧是给进程分配多少块存储块的问题，太少了，缺页率太高，太多了，并发程度会降低。
2. 可变分区，全局置换。这是最容易实现的一种方式。操作系统维护着一个空闲存储块队列，进程如果发生缺页，就从空闲的存储块中存选一块分配给进程（即凡是缺页的进程，都获得新的存储块）。只有当队列用完的是，才进行换出操作，而该页有可能任意进程中的任意一页。
   但是这种做法也存在弊端，如果盲目的给进程分配空间，那将会导致并发能力下降。同时会导致其他后面的进程在内存中的存储块数降低，缺页率上升。
3. 可变分区，局部置换。这种做法，只允许从本进程的内存块中取出，这样一个进程的行为并不会影响其他的进程。但是这种方式的关键在于：如何确定驻留集的大小，以及确定驻留的变化。

驻留集

驻留集，又称工作集合，是指在某段时间内，进程要访问的页面的集合。把某个进程在时间t的驻留集记为W(t，△)。其中，△代表的是驻留集的窗口大小。
正确选择△，对存储器的有效利用和提高操作系统的吞吐量有重要的影响作用，若△太大，进程虽然不会缺页，但是如果大到把整个进程都装进去了，也就失去了虚拟存储的意义，内存也得不到充分的利用。如果太小，那么进程所需要的驻留集也不能装入内存，频繁产生缺页中断。

如上图所示，所以我们一般取△为曲线的拐点处。

抖动

多道程序环境中，应该尽量提高系统的吞吐量，即提高道数。但是如果盲目的提高道数，反而会使得操作系统吐吞量降低，因为内存中进程过多，将出现抖动现象。下图为CPU利用率随程序道数的增加而变换的曲线图：

所谓抖动，是指进程大多数时间都用于页面的换入换出，而几乎不能完成任何有效的工作。（即T缺页 >T执行）。因为一旦调度程序发现CPU利用率降低，就会提高多道程序的道数，以提高CPU的利用率。为此引入更多进程进入内存，但是这样其他进程在内存的存储块数又会下降，从而加剧缺页情况，造成恶性膨胀，频繁换入换出。

那么如何预防抖动的发生？

1. 只有驻留集足够大的进程，才允许被执行。因此在确定每个进程驻留集大小时，便确定了进程数目。
2. 产生缺页的平均时间L = 系统处理缺页的平均时间S，此时毫无疑问，CPU利用率最高。
3. 操作系统采用可变策略时，尽可能采取局部置换，这样抖动的范围就局限在较小的地方了。
4. 道数偏高的时候，挂起一些进程。

页面的调入时机

1. 何时调入？
   请调：当进程在运行的过程中产生缺页的时候，调入主存。这种做法实现简单，但是容易出现抖动，因为容易产生缺页中断。
   预调：预计进程要访问的页面。由局部性原理，每次调入时，也将相邻的若干页调入
   （通常，将两者配合使用，缺页的时候，不仅调入所缺的页面，还调入其相邻的若干页）
2. 何处调入？
   从调换区调入
   只将修改过的页放在对换区
   首次从文件区调入，以后再次调入时，从对换区调入。