os-虚拟内存管理（请求分页存储管理方式）

1.1 虚拟存储器的定义

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其余部分留在外存，就可以启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，系统好像为用户提供了一个比实际内存大得多的存储器，称为虚拟存储器。

1.2 虚拟存储器的特征

（1）多次性，是指无需在作业运行时一次性地全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存运行。
（2）对换性，是指无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业的运行过程中，进行换进和换出。
（3）虚拟性，是指在逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内存容量，远大于实际的内存容量。

1.3 虚拟内存技术的实现

虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。
虚拟内存的实现有以下三种方式：
·请求分页存储管理
·请求分段存储管理
·请求段页式存储管理

硬件支持：
·一定容量的内存和外存
·页表机制（或段表机制），作为主要的数据结构。
·地址变换机构，逻辑地址到物理地址的变换。
·中断机构，当用户程序要访问的部分尚未调入内存，则产生中断。

1.4 请求分页管理方式

请求分页系统建立在基本分页系统基础之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和面置换功能。分页请求是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。
在请求分页系统中，只要求将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行。在作业执行过程中，当所要访问的页面不存在内存时，再通过调页功能将其调入，同时还可以通过置换功能将暂时不用的页面换出到外存上，以便腾出内存空间。

1.4.1 页表机制

状态位P：用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。
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，供置换算法换出页面时参考。
修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过。
外存地址：用于之处该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。

1.4.2 缺页中断机构

在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺的页调入内存。此时应将缺页的进程阻塞（调页完成唤醒），如果内存中有空闲块，则分配一个块，将要调入的页装入该块，并修改页表中相应页表项，若此时内存中没有空闲块，则要淘汰某页（若被淘汰页在内存期间被修改过，则要将其写回外存）。
缺页中断作为中断同样要经历，诸如保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序、恢复CPU环境等几个步骤。但与一般的中断相比，它有以下两个明显的区别：
（1）在指令执行期间产生和处理中断信号，而非一条指令执行完后，属于内部中断。
（2）一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。

1.4.3 地址变换机构

请求分页系统中的地址变换机构，是在（基本分页存储管理方式）地址变换机构的基础上，为实现虚拟内存，又增加了某些功能而形成的。
在进行地址变换时，先检索快表：
·若找到要访问的页，便修改页表项中的访问位（写指令则还须重置修改位），然后利用页表项中给出的物理块号和页内地址形成物理地址。
·若未找到该页的页表项，应到内存中去查找页表，再对比页表项中的状态位P，看该页是否已调入内存，未调入则产生缺页中断，请求从外存把该页调入内存。

1.5 页面置换算法

（1）最佳置换算法（OPT）
（2）先进先出页面置换算法（FIFO）
（3）最近最久未使用置换算法（LRU）// max out
（4）时钟置换算法（CLOCK）// 0 out

1.6 页面分配策略

1.6.1 驻留集大小

（1）固定分配局部置换
（2）可变分配全局置换
（3）可变分配局部置换

1.6.2 调入页面的时机

（1）预调页策略（运行前）
需要采用以预测为基础的预调页策略，将预计在不久之后便会被访问的页面预先调入内存。
（2）请求调页策略（运行中）
进程在运行中需要访问的页面不在内存而提出请求，由系统将所需页面调入内存。（虚存大多采用此策略）
// 一般情况下，两种调页策略会同时使用

1.6.3 从何处调入页面

（1）系统拥有足够的对换区空间：可以全部从对换区调入所需页面，以提高调页速度。
（2）系统缺少足够的对换区空间：凡不会被修改的文件都直接从文件区调入；而当换出这些页面时，由于它们未被修改而不必再将它们换出。但对于那些可能被修改的部分，在将它们换出时须调到对换区，以后需要时再从对换区调入。
（3）UNIX方式：与进程有关的文件都放在文件区，故未运行过的页面，都应从文件区调入。曾经运行过但又被换出的页面，由于是被放在对换区，因此下次调入时应从对换区调入。

参考文献：
《计算机操作系统》 汤子灜