操作系统——虚拟存储管理

虚拟存储：逻辑上扩充内存

基本概念
    由于程序执行的时间局部性及空间局部性，一次性及驻留性在程序运行时不是必须的。
    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。

实现

    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

特征

    多次性、对换性、虚拟性。

请求分页存储管理方式

换入和换出基本单位都是长度固定的页面

【例子】

2是由系统根据后面的外存地址调入，系统先看物理块号没有则从后面的地址去找。调入内存

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。

中断经过的步骤：

保护CPU环境–分析中段原因–转入缺页中断处理程序–恢复CPU环境

内存分配

最小物理块数的确定–物理块的分配策略–物理块的分配算法

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，读写想、速度相对较慢。

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：可以全部从对换区调入所需页面，以提高调页速度。

系统缺少足够的对换区空间：凡不会被修改的文件，直接从文件区调入；换出时不用换，再调入时仍从文件区调入。可能被修改的部分，换出时需调到对换区，换入时从对换区调入。

系统缺少足够的对换区空间，这时凡是不会被修改的文件，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，以后再调入时，仍从文件区直接调入。但对于那些可能被修改的部分，在将它们换出时，便须调到对换区，以后需要时，再从对换区调入。

UNIX方式。由于与进程有关的文件都放在文件区，故凡是未运行过的页面，都应从文件区调入。而对于曾经运行过但又被换出的页面，由于是被放在对换区，因此在下次调入时，应从对换区调入。由于UNIX系统允许页面共享，因此， 某进程所请求的页面有可能已被其它进程调入内存，此时也就无须再从对换区调入。

页面置换算法

缺页率：页面调入次数（缺页次数）/总的页面使用次数

1.最佳置换算法（仅限于理论上，作为参照标准）

2.先进先出置换算法（FIFO）

先进入的先淘汰

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。

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。（个人理解：当分配的页面增多时，保留的大多是没用的，下一次用到的都被淘汰了，又需要重新调入）

3.最近最久未使用（LRU）置换算法

具体实现方法：

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。

改进clock

改进：考虑到对没访问过的页面再细分是否修改过的不同情况，减少因修改造成的频繁I/O操作