四.（5）虚拟存储器

1.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。

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）

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。

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：

a)“保护CPU环境”

b)“分析中断原因”

c)“转入缺页中断处理程序”

d)“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。

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

Belay，1966年提出的一种理论上的算法

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）

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。

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。

影响缺页率的主要因素

(1)分配给作业的主存块数:

  多则缺页率低，反之则高。

(2)页面大小：

  大则缺页率低；反之则高。

(3)页面调度算法：

  对缺页中断率影响很大，但不可能找到一种最佳算法。

(4)程序编制方法：

  以数组运算为例，如果每一行元素存放在一页中，则按行处理各元素缺页中断率低；反之，按列处理各元素，则缺页中断率高。

系统抖动：

为了提高处理机利用率，可增加多道程序并发度；

但进程数目增加过多，每个进程分配得到的物理块太少，在某个临界点上，会出现刚被淘汰的页很快又需重新调入；而调入不久又被淘汰出去；出现频繁缺页

大部分处理器时间都用在来回的页面调度上，这种局面称为系统抖动或颠簸（thrashing)

抖动的后果：

缺页率急剧增加

内存有效存取时间加长，

系统吞吐量骤减；系统已基本不能完成什么任务，而是忙于页面对换操作，cpu虽然忙，但效率急剧下降。

根本原因：

页面淘汰算法不合理；分配给进程的物理页面数(驻留集)太少。