《现代操作系统》之内存管理

  1. 无存储器抽象:程序直接使用物理内存
  2. 地址空间内存抽象
  • 地址空间:基地址+长度
  • 交换技术:内存和磁盘空间交换
  • 空闲内存管理
    • 位图存储管理
    • 链表存储管理
  • 空闲位置查找算法:首次适配、下次适配、最佳适配、最差适配、快速适配
  1. 虚拟内存
  • 虚拟内存的基本思想是:每个程序拥有自己的地址空间,这个空间被风格成多个块,每一块称作一页Page。每一页有连续的地址范围。这些页被映射到物理内存,但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。
  • 分页
    • 分页技术:程序中使用虚拟地址空间,通过MMU把虚拟地址映射为物理内存地址。虚拟地址空间按照固定大小分为若干个页,物理地址中与页对应的单元称为页框Page Frame
    • 内存管理单元MMU:把虚拟地址映射为物理内存地址,MMU一般是CPU芯片的一部分。
    • 页大小一般是512字节到1G
    • 虚拟内存一般大于物理内存,映射关系保存在页表中
  • 页表
    • 页表Page Table,保存虚拟内存页与物理内存的映射,保存了物理内存是否已经映射到了虚拟内存
    • 页表结构
      • 高速缓存禁止位、访问位、修改位、保护位、在/不在位、页框号
      • 虚拟内存本质上是用来创造一个新的抽象概念——地址空间,这个概念是对物理内存的抽象,类似于进程是物理处理器CPU的抽象。虚拟内存的实现,是将虚拟地址空间分解成页,并将每一页映射到物理内存的某个页框或者暂时解除映射。
  • 加速分页过程
    • 问题1:虚拟地址到物理地址的映射必须非常快
    • 问题2:如果虚拟地址空间很大,页表也会很大
    • 转换检测缓冲区TLB、快表:一个小型的硬件设备,在MMU中,包含少量的表项(一般不超过256个)
    • 软件TLB:如果TLB大到(如64个表项)可以减少失效率时,TLB的软件管理就会变得足够有效。这种方法的最主要的好处是获得了一个简单的MMU,这就在CPU芯片上为高速缓存以及其他改善性能的设计腾出了相当大的空间。
    • TLB失效的处理:软失效——内存页访问在内存中而不再TLB中;硬失效——内存页不存于内存中,需要从磁盘中读取
    • 多级页表:用来解决映射巨大的物理内存问题,4级页表寻址空间达到了2^48字节,256TB的内存
    • 倒排页表:物理内存中的每一个页框对应一个页表项,对虚拟内存的查找使用Hash散列表
  • 页面置换算法
    • 最优页面置换算法:不可实现,但可以用作基准
    • 最近未使用页面置换算法 NRU:LRU的很粗糙的近似
    • 先进先出页面置换算法FIFO:可能抛弃重要页面
    • 第二次机会页面置换算法:比FIFO有较大的改善
    • 时钟页面置换算法Clock:现实的
    • 最近最少使用页面置换算法LRU:很优秀,但很难实现
    • 最不经常使用算法NFU:LRU的相对粗略的近似
    • 老化算法:非常近似LRU的有效算法
    • 工作集页面置换算法:实现起来开销很大
    • 工作集时钟页面置换算法:好的有效算法
    • 最好的两种算法是老化算法工作集时钟页面置换算法,他们有良好的页面调度性能,可以有效的实现。
  1. 分页系统中的设计问题
  • 局部分配策略与全局分配策略
    • 全局分配策略(所有进程之间)一般优于局部分配策略(单个进程内)
    • 可以同时使用两种策略,使用PPF(Page Fault Frequency 缺页中断率) 动态调节进程的页框数
  • 负载控制
    • 当系统发生颠簸时,将一部分进程换出到磁盘,并释放他们占用的所有页面
  • 页面大小
    • 大尺寸页面比小尺寸页面浪费更多内存
    • 小尺寸页面需要更大的页表,而且从磁盘加载到内存时次数多、速度慢
    • 最优页面大小的公式:P = 根号(2se)
      • P:最优页大小,s:进程平均大小,e:每个页表项字节数
    • 商用计算机的页大小一般为4KB或8KB
  • 分离的指令空间和数据空间
  • 共享页面:多个进程共享相同的内存页
  • 共享库:多个进程使用相对地址链接到共享的库内存页
  • 内存映射文件
    • 发起系统调用,将一个文件映射到虚拟地址空间的一部分
    • 共享库是内存映射文件的一个特例
    • 多个进程内存映射到相同文件,可以实现进程间的内存共享,这种机制被普遍使用
  • 清除策略:使用分页守护进程来定期换出页面和写回脏页到磁盘
    • 双指针时钟:前指针写回脏页,后指针用于页面置换
  • 虚拟内存接口
  1. 有关实现的问题
  • 与分页有关的工作
  • 缺页中断处理
  • 指令备份
  • 锁定内存中的页面
  • 后背存储
  • 策略和机制的分离
  1. 分段
  • 分段的实现
  • 分段和分页结合

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