【操作系统】虚拟内存的基本概念

虚拟内存

⭐️ 1、 传统存储管理方式的特征、缺点

（1） 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：
① 作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行
② 当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降
（2） 驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。

⭐️ 2、 虚拟内存的定义和特征

（1） 基于局部性原理，当程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行
（2） 程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序
（3） 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存
（4） 在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存
（5） 易混知识点：
虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU 寻址范围）确定的
虚拟内存的实际容量=min（内存和外存容量之和，CPU 寻址范围）
（6） 虚拟内存的三大主要特征
① 多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
② 对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。
③ 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量远大于实际的容量

⭐️ 3、 如何实现虚拟内存技术

虚拟内存的实现需要建立在离散分散的内存管理方式基础上
与传统方式的主要区别：在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。若内存空间不够，由操作系统将内存中暂时用不到的信息换出到外存
（1） 请求分页存储管理
（2） 请求分段存储管理
（3） 请求段页式存储管理

请求分页管理方式

⭐️ 1、 页表机制

➢ 与基本分页管理相比，请求分页管理中，为了实现“请求调页”，操作系统需要知道每个页面是否已经调入内存；如果还没调入，那么也需要知道该页面在外存中存放的位置
➢ 当内存空间不够时，要实现“页面置换”，操作系统需要通过某些指标来决定到底换出哪个页面；有的页面没有被修改过，就不用写回外存。有的页面修改过，就需要将外存中的旧数据覆盖，因此，操作系统也需要记录各个页面是否被修改的信息

⭐️ 2、 缺页中断机构

➢ 在请求分析系统中，每当要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断
➢ 此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列
➢ 如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项
如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过则要将其写回外存。未修改过的页面不用写回外存
➢ 缺页中断是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断
➢ 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

在分页系统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

➢ 发生缺页情况的地址变换步骤：查快表（未命中）→查慢表（发现未调入内存）→调页（调入的页面对应表项加入快表和慢表）→查快表（命中）→访问目标内存单元
➢ 快表中的页面一定是在内存中的。若某个页面被换出外存，则快表中的相应表项也要删除，否则可能访问错误的页面
➢ 只有“写指令”才需要修改“修改位”。并且，一般来说只需修改快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表。这样可以减少访存次数
➢ 和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留 CPU 现场
➢ 需要用“页面置换算法”来决定一个换出页面
➢ 换入/换出页面都需要启动慢速的 I/O 操作，所以频繁的换入换出会有很大的开销
➢ 页面调入内存后，需要修改慢表，同时也需要将表项复制到快表中

页面置换算法

⭐️ 1、 最佳置换算法（OPT）

每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率

缺页时未必发生页面置换。若还有可用的空闲内存块，就不用进行页面置换
缺页率=缺页中断次数/访问页面次数
最佳置换算法在实际中是无法实现的

⭐️ 2、 先进先出置换算法（FIFO)

每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面。把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块

Belady 异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象
只有 FIFO 算法会产生 Belady 异常。另外 FIFO 算法虽然实现简单，但是该算法与进程实
际运行时的规律不适应，因为先进入的页面也有可能最经常被访问。因此，算法性能差

⭐️ 3、 最近最久未使用置换算法（LRU）

每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面
赋予每个页面对应的页表项，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间 t。
当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中 t 值最大的，即最近最久未使用的页面

在手动做题时，若需要淘汰页面，可以逆向检查此时在内存中的几个页面号。在逆向扫描过程中最后一个出现的页号就是要淘汰的页面
该算法的实现需要专门的硬件支持，虽然算法性能好，但是实现困难、开销大

⭐️ 4、 时钟置换算法（CLOCK）

➢ 性能和开销比较均衡的算法
➢ 每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。
当某页被访问时，其访问位置为 1,当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。
➢ 如果是 0，就选择该页换出；如果是 1，则将它置为 0，暂不换出；若第一轮扫描中所有页面都是 1，则将这些页面的访问位依次置为 0 后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为 0 的页面，因此简单的 CLOCK 算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描）

⭐️ 5、 改进型的时钟置换算法

➢ 如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行 I/O 操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存
➢ 因此在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免 I/O 操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想。
➢ 修改位=0，表示没有被修改过；修改位=1，表示页面被修改过；访问位=0，表示最近没有访问；访问为=1，表示最近访问过
（1） 置换过程：
（访问位，修改位）
第一轮扫描：从当前位置开始扫描到第一个（0，0）的帧用于替换，本轮扫描不修改任何标志位。最近没访问，没修改过
第二轮扫描：若第一轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。本轮将所有扫描过的帧访问位设为 0。最近没访问，但修改过
第三轮扫描：若第二轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，0）的帧用于替换，本轮扫描不修改任何标志位。最近访问过，但没修改过
第四轮扫描：若第三轮扫描失败，则重新扫描，查找第一个（0，1）的帧用于替换。最近访问过，也修改过
改进型 CLOCK 置换算法选择一个淘汰页面最多会进行四轮扫描

页面分配策略

⭐️ 1、 驻留集

指请求分页存储管理中给给进程分配的物理块的集合（给进程提供的坑位）
在采用了虚拟存储技术的系统中，驻留集大小一般小于进程的总大小
驻留集太小，系统要花大量时间处理缺页，实际用于进程推进的时间很少
驻留集太大，会导致多道程序并发度下降，资源利用率降低

⭐️ 2、 页面分配、置换策略

固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变，即驻留集大小不变
可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况适当的增加或减少，即驻留集大小可变
局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换
全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程
（1） 固定分配局部置换
若进程在运行中发生缺页，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出然后再调入需要的页面。
缺点：很难在刚开始就确定应为每个进程分配多少个物理块才算合理
（2） 可变分配全局置换
➢ 刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列。
当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分配给该进程；若已无物理块，则可选择一个未锁定的页面换出外存，再将该物理块分配给缺页的进程。
➢ 只要某进程缺页都将获得新的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页可能是系统中任何一个进程中的页，因此这个被选中的进程拥有的物理块会减少，缺页率会增加。
（3） 可变分配局部置换
刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个进行换出外存。如果进程在运行中频繁地缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋势适当程度；反之，如果进程在运行中缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。根据发生缺页的频率动态地增加或减少进程的物理块

⭐️ 3、 调入页面的时机

（1） 预调页策略：根据局部性原理，一次调入若干个相邻的页面可能比一次调入一个页面更高效。但如果提前调入的页面中大多数都没被访问过，则又是低效的。因此可以预测不久之后可能访问到的页面，将它们预先调入内存，但目前成功率只有 50%。
这种策略主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该调入哪些部分
（2） 请求调页策略：进程在运行期间发现缺页时才将所缺页面调入内存。由这种策略调入的页面一定会被访问到，但由于每次只能调入一页，而每次调页都要磁盘 I/O 操作，因此 I/O 开销较大

⭐️ 4、 从何处调页

系统拥有足够的对换区空间:页面的调入、调系统拥有足够的对换区空间:页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，证页面的调入、调出速度很快.在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。需将进程相关的数据从文件区复制到对换区.

系统缺少足够的对换区空间:凡是不会被修改系统缺少足够的对换区空间:凡是不会被修改的数据都直接从文件区调入，由于这些页面不的数据都直接从文件区调入，由于这些页面不会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的要时再从文件区调入即可.对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下 次需要时部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。再从对换区调入.

UNIX方式:运行之前进程有关的数据全部放在Unix方式:运行之前进程有关的数据全部放在文件区，故未使用过的页面，都可从文件区调文件区，故未使用过的页面，都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换入.若被使用过的页面需要换出，则写回对换区，下次需要时从对换区调入区，下次需要时从对换区调入.

⭐️ 5、 抖动（颠簸）现象

刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动，或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够）

⭐️ 6、 工作集

指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合

工作集大小可能小于窗口尺寸，实际应用中，操作系统可以统计进程的工作集大小，根据工作集大小给进程分配若干内存块。局部性好的进程工作集比窗口尺寸小，可以根据工作集的大小分配驻留集的大小。驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页