操作系统之虚拟存储管理

 

虚拟存储器 逻辑上扩充内存

1. 虚拟存储器的基本概念

   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。

         （1） 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

         （2） 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。
                     若采用连续分配方式，需申请足够空间，再分多次装入，造成内存资源浪费，并不能从逻辑上扩大内存容量。
                虚拟的实现建立在离散分配存储管理基础上
                  方式：请求分页/请求分段系统
                 细节：分页/段机构、中断机构、地址变换机构、软件支持

         （3）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

1）硬件支持

一台具有一定容量的内/外存的计算机
+ 页表机制
+ 缺页中断机构
+ 地址转换机构

 

（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）地址变换机构

 

 

（4）内存分配

作业不一次装入，部分装入的情况下如何为进程分配内存，涉及三个问题：
最小物理块数的确定
少于此数量进程将不能运行
与计算机的硬件结构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式
物理块的分配策略
物理块的分配算法
②物理块的分配策略
考虑：固定OR可变分配、全局OR局部置换。
组合出三种适合的策略。
固定分配、局部置换
为每个进程分配一定数目的物理块，在整个运行期间不再改变（基于进程的类型，或根据程序员、程序管理员的建议）
运行中缺页时，只能从该进程内存中n个页面中选出一页换出，然后再调入一页。
困难：难以把握为每个进程分配“适量”物理块
可变分配、全局置换
先为每个进程分配一定数目的物理块
OS管理一个空闲物理块队列，发生缺页时，系统从队列中取出一块分配给该进程，将欲调入的页装入（动态增长型，全局空闲空间都可分配使用）
空闲空间不足时，可与其他任何进程页面置换。“会使其他进程缺页率提高，影响运行”
最易实现

③物理块的分配算法
固定分配策略时，分配物理块可采用以下几种算法：
平均分配算法
将所有可供分配的物理块平均分配给各进程。
缺点：未考虑各进程本身的大小，利用率不均。
按比例分配算法
根据进程的大小按比例分配物理块。
设系统中共有n个进程
考虑优先权的分配算法
实际应用中，要照顾重要、急迫的作业尽快完成，为它分配较多的内存空间。
所有可用物理块分两部分：
一部分按比例分配给各进程；
另一部分根据各进程优先权，适当地为其增加份额，分配给各进程。

 

 

 

（5）调页策略

① 何时调入页面
预调页策略
以预测为基础，将预计不久后便会被访问的若干页面，预先调入内存。
优点：一次调入若干页，效率较好
缺点：预测不一定准确，预调入的页面可能根本不被执行到。主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些页。

请求调页策略
运行中需要的页面不在内存，便立即提出请求，由OS将其调入内存。
优点：由请求调页策略所确定调入的页，一定会被访问；比较容易实现。
缺点：每次仅调入一页，需花费较大的系统开销，增加了磁盘I/O的启动频率。

② 从何处调入页面
在请求分页系统中的外存分为：
对换区：连续存放数据，读写速度较快
文件区：离散分配方式，I/O速度相对慢
发生缺页时，系统应从何处将缺页调入内存，分成三种情况：
系统拥有足够的对换区空间：
进程运行前所有页面由文件区拷贝到对换区；
运行需要的页面全部从对换区调入内存，提高调页速度。
系统缺少足够的对换区空间：
不会被修改的部分，在文件区操作（即：直接从文件区调入，换出时不用写入文件，再调入时仍从文件区调入）
可能被修改的部分，在对换区操作。
UNIX方式：（随运行数据逐渐从文件区转到对换区）
未运行的页面从文件区调入；
曾经运行，但又被换出的页面放在对换区，下次调入应从对换区调入。
进程请求的共享页面可能已被其他进程调入，无需再从对换区调入。

③ 页面调入过程
程序运行前需要装入内存：上述的②步策略处理何处调入；
开始运行：先预调入一部分页面；
运行中：需要的页面不在内存时，
向CPU发出一缺页中断，“中断处理程序”开始工作：
首先保留CPU环境
分析中断原因后，转入缺页中断处理程序。
处理：判断是否置换、页表信息更新
恢复现场，重新操作页面。

 

3.页面置换算法

进程运行过程中，访问的页面不在内存，调入时内存已无空闲空间，需要将内存中的一页程序或数据调到外存。
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

换出以后永不再用的，或在最长(未来)时间内不再被访问的页面。
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）

 

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。
对例1用LRU算法计算：

 

4）轮转算法(clock)

又称最近未使用算法(NRU, Not Recently Used)，
LRU(最近最久未使用算法)近似算法
折衷FIFO
每个页设一个使用标志位(use bit)，若该页被访问则将其置为1。
设置一个指针，从当前指针位置开始按地址先后检查各页，寻找use bit=0的页面作为被置换页。
若指针经过的页use bit=1，修改use bit=0（暂不凋出，给被用过的页面驻留的机会 ），指针继续向下。到所有页面末尾后再返回队首检查。

 

5）其他置换算法

最少使用 (LFU, Least Frequently Used)
关键在次数记录上
每页设置访问计数器，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1；缺页中断时，淘汰计数值最小的页面，并将所有计数清零；
计数的实现类似LRU，用移位寄存器，但比较时不是简单比较寄存器的值，而是比较寄存器每位的和∑Ri。

页面缓冲算法PBA(page buffering algorithm)
对FIFO算法的发展，弥补了FIFO可能造成的I/O开销，又不需要LRU等算法的硬件支持。
仍用FIFO算法选择被置换页
但并不将其马上换入外存。
系统将页面放入两个链表之一：如果页面未被修改，就将其归入到空闲页面链表的末尾；否则将其归入到已修改页面链表。
需要调入新的物理页面时，将新页面内容读入到空闲页面链表的第一项所指的页面，然后将第一项删除（从空闲链表摘下）。
空闲页面和已修改页面，仍停留在内存中一段时间，如果这些页面被再次访问，只需较小开销，而被访问的页面可以返还作为进程的内存页。
当已修改页面达到一定数目后，再将它们一起调出到外存，然后将它们归入空闲页面链表，这样能大大减少I/O操作的次数。

 

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