操作系统之虚拟存储器

虚拟存储器概述

1. 常规存储器管理方式的特征和局部性原理

• 常规存储器管理方式的特征：
  
  • 一次性。要求将作业全部装入内存才能运行，当程序大于内存时，作业无法运行。
  • 驻留性。装入内存中用的作业一直驻留内存，直到运行结束（处于等待状态的进程也占用内存）。
• 局部性原理：
  
  • 时间局限性。如果程序中的某条指令一旦执行， 则不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过， 则不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。
  • 空间局限性。一旦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将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行。

2. 虚拟存储器的定义和特征

• 虚拟存储器定义：
  
  • 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。
  • 其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。
• 虚拟存储器的特征 :
  
  • 多次性：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。
  • 虚拟性：从逻辑上扩充内存容量。
• 实现虚拟存储器的效果:
  
  • 可使一个大的用户程序能在较小的内存空间中运行；也可在内存同时装入更多的进程使它们并发执行。
  • 从用户的角度看，该系统所具有的内存容量，比实际容量大得多。这只是一种感觉，是虚的。故称为虚拟存储器。
  • 虚拟空间的容量由系统的有效地址长度决定。假设地址长度为32，按字节寻址，则虚拟存储空间大小为232个字节。即32位的操作系统，用户程序只能编写最多4G的程序（虚存空间） 。

虚拟存储的实现方式

1. 请求分页存储管理方式

（1） 请求分页的硬件支持

• 请求页标机制，将用户地址空间中的逻辑地址映射成为内存空间中的物理地址。

• 请求分页系统中的每个页表结构如下：
  

• 状态位P：表明该页是否在内存。

• 访问字段A：记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近有多长时间未被访问，供换出页面时参考。
• 修改位M：查看此页在调入内存后是否被修改过。供置换页面时参考。
• 外存地址：指出该页在外存上的地址，供调入该页时参考。

（2） 缺页中端机构

• 要访问的页不在内存时，便产生了一个缺页中断，请求操作系统将该页面调入内存。缺页中断同其它中断一样要经历CPU环境保护、分析中断原因、转入中断处理程序、恢复CPU环境等步骤。但缺页中断又是一种特殊的中断。
• 这种中断在指令执行期间产生和处理中断信号。
• 一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断。
• 地址变换机构如下图：
  

（1） 请求分页中的页面置换算法

• 最佳置换算法
  
  • 其所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的， 或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。
  • 实际上该算法是无法实现的。
• 先进先出置换算法
  
  • 实现方便。不需要额外硬件。 效果不好。
• 最近最久未使用LRU算法
  
  • 根据页面调入内存后的使用情况来做出决策。
  • 为了快速知道哪一页是最近最久未使用的页面，需要硬件支持。
• Clock置换算法
  
  • 简单的Clock置换算法
  • 只需要为每页设置一位访问位，再将内存中的所有页面都通过链接指针连接成一个循环队列。当某页访问时，其访问位被置为1.置换算法在选择一页淘汰时，只需要检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出。若为1，则将其重新置为0，暂不换出。给与第二次驻留内存的机会。流程如下：
    
• 改进的Clock置换算法
  
  • 在将一个页面换出时,若该页已被修改过，便将该页重新写回磁盘上，但如果该页未被修改过，则不必将它考回磁盘。
  • 改进型Clock算法：换出的页面是既未使用的、又未被修改过的页面。
  • 在Clock算法的访问为A基础上加一个修改位M。
  • 由访问位A和修改位M可以组合成下面四种类型的页面：
    
    • 1类(A=0, M=0)：表示该页最近既未被访问， 又未被修改， 是最佳淘汰页。
    • 2类(A=0, M=1)： 表示该页最近未被访问， 但已被修改， 并不是很好的淘汰页。
    • 3类(A=1, M=0)： 最近已被访问， 但未被修改， 该页有可能再被访问。
    • 4类(A=1, M=1)：最近已被访问且被修改， 该页可能再被访问。
  • 其执行过程可分成以下三步：
    
    • 从指针所指示的当前位置开始， 扫描循环队列， 寻找A=0且M=0的第一类页面， 将所遇到的第一个页面作为所选中的淘汰页。 在第一次扫描期间不改变访问位A（改变访问位会对第2步产生影响）。
    • 如果第一步失败，即查找一周后未遇到第一类页面， 则开始第二轮扫描，寻找A=0且M=1的第二类页面，将所遇到的第一个这类页面作为淘汰页。在第二轮扫描期间，将所有扫描过的页面的访问位都置0。
    • 否则第三遍找A=0,M=0的页面,有则淘汰（其实这里的A=0,M=0的页面是由A=1,M=0的页面被第2步修改形成的）。
    • 否则第四遍找A=0,M=1的页面,(肯定会找到）。其实这里的A=0,M=1的页面是由A=1,M=1的页面被第2步修改形成的）。

（2） 抖动

• 产生原因：
  
  • 因系统中运行的进程太多，分配给每个进程的物理块太少，导致每个进程在运行时，频繁地出现缺页，必须请求OS将所缺的页调入内存。

2. 请求分段存储管理方式

虚拟段式分配又称为请求分段，在程序装入时，只需调入几个分段而不是所有的分段。随着程序的运行，如果需要访问的段不在内存，可以请求操作系统把需要的段调入内存。

（1） 请求分段中的硬件支持

• 请求段表机制：
  
• 存取方式：表明本段是只执行、只读，还是允许读/写。
• 访问字段A ：用于记录该段被访问的频繁程度。
• 修改位M：用于记录该段在进入内存后是否被修改过。
• 存在位P ：记录该段是否已调入内存。
• 增补位：表明本段在运行过程中，是否做过动态增长。
• 外存始址：表明本段在外存中的起始盘号。

（2） 缺段中断机构

• 请求分段系统中的中断处理过程：
  
• 请求分段系统中的地址变换机构：