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一、虚拟存储器的基本概念
1.常规存储器管理方式的特征
一次性:作业在运行前一次性地全部装入内存
驻留性:作业装入内存后,便一直驻留在内存中,直至作业运行结束。
而这两个特征不是程序运行必须具有的,因为程序具有局部性。
2.局部性原理
程序在执行时将呈现出局部性规律:
在一较短的时间内
程序的执行仅局限于某个部分;
相应地,所访问的存储空间也局限于某个区域。
程序执行的特点:
多数情况下仍是顺序执行。
少部分的转移和过程调用指令会使程序执行由一部分区域转至另一部分区域(但研究表明调用深度多数情况下不超过5)
许多由少数指令构成的循环结构会多次执行。
对许多数据结构的处理(如数组)往往局限于很小的范围内。
局部性:
时间局部性
被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来再被多次引用。
空间局部性
如果一个存储器位置被引用了一次,那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个存储器位置。
相关:
有良好局部性的程序运行速度更快;
计算机系统的各个层次都利用了局部性
基于局部性原理
程序运行前,不需全部装入内存(打破一次性)
仅装入当前要运行的部分页面或段即可运行,其余部分暂留在外存上。
缺页/段的情况:要访问的页(段) 尚未调入内存。程序应利用OS所提供的请求调页(段)功能,将它们调入内存,使程序继续执行。
调入需要的页/段时,如果内存已满,无法再装入新页(段),通过置换功能将内存中暂时不用的页(段)调至外存,腾出足够的内存空间。(不总驻留)
※交换技术与虚存使用的调入调出技术有何相同和不同之处?
主要相同点是都要在内存与外存之间交换信息;
主要区别在于交换技术换出换进一般是整个进程(proc结构和共享正文段除外),因此一个进程的大小受物理存储器的限制;
而虚存中使用的调入调出技术在内存与外存之间来回传递的是存储页或存储段,而不是整个进程,从而使得进程映射具有了更大的灵活性,且允许进程的大小比可用的物理存储空间大的多 。
总之:
为了用小的内存实现在大的虚空间中程序的运行目的
基于局部性原理
虚拟存储器管理——由操作系统提供一个比实际内存大的,假想的特大存储器。
3.虚拟存储器的定义
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。
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
4.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
5.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。
二、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
1)
2)
3)
2.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:
①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
②物理块的分配策略
③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
(1)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”物理块数
(2)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)可变分配、局部置换
·为每个进程分配一定数目的物理块
·缺页时,只允许换出该进程在内存的页面,不影响其他进程执行。
·根据缺页率增减进程的物理块数:若频繁缺页中断,则系统再为进程分配若干物理快;若缺页率特别低,则适当减少分配给该进程的物理块。
③物理块的分配算法
3. 调页策略
外存:文件区、对换区
系统拥有足够的对换区空间:对换区
系统缺少足够的对换区空间:文件区/对换区
UNIX方式:首次->文件区/再请调->对换区
三、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。
几种置换算法
1、最佳Optimal置换算法
2、先进先出FIFO置换算法
3、最近最久未使用(LRU)置换算法
4、CLOCK置换算法
5、其他
1)最佳Optimal置换算法(理论上的算法,未实现)
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FIFO置换算法
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)
※Belady现象:出现分配的页面数增多,缺页率反而提高的异常现象。
描述:一个进程P要访问M个页,OS分配N个内存页面给进程P;对一个访问序列S,发生缺页次数为PE(S,N)。当N增大时,PE(S, N)时而增大,时而减小。
Belady现象的原因:FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾,即被置换的页面并不是进程不会访问的。
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
不足:
有时页面过去和未来的走向之间并无必然的联系。
相应的需较多的硬件支持:记录每个页面自上次被访问以来所经历的时间t,淘汰时选择页面t值最大的;以及需要快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面,用寄存器或栈。
4)轮转算法(clock)
又称最近未使用算法
·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
(1)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。
※LFU与LRU比较
LFU置换次数少的。程序局部性会导致一个页面在一段时间内使用次数很多。但使用次数多并不能说明将来被用到的可能性大;而LRU置换最近最久未用的,对未来的预计一般会更好些。
因此,LRU相对得到较好的应用
(2)
四、请求分段存储管理方式
在请求分段系统中,程序运行之前,只需先调入若干个分段(不必调入所有的分段),便可启动运行。当所访问的段不在内存中时,可请求OS将所缺的段调入内存。
1)请求分段中的硬件支持
(1)段表机制
(2)缺段中断机构
(3)地址变换机构
2)分段的共享和保护
分段在逻辑意义上划分,实现共享和保护都较方便。以下讨论具体实现:
①实现共享:共享段表
在内存中配置一张共享段表,每个共享段都占有一表项,记录如下内容:
共享计数count:
·共享段为多个进程所需要,当某进程不再需要它而释放它时,系统并不回收该段所占内存区,仅当所有共享该段的进程全都不再需要它时,才由系统回收该段所占内存区。设置count用于记录有多少个进程需要共享该分段
存取控制字段:一个共享段给不同的进程以不同的存取权限。
段号:对一个共享段,不同的进程可用不同的段号。