《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

3. 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和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。

4. 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

5. 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

6. 分段

• 分段的实现
• 分段和分页结合

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