【OS】操作系统课程笔记 第八章 虚拟存储管理

8.1 虚拟存储器

8.1.1 虚拟存储器的定义

1. 虚存定义

通过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。

 2. 优势和应用

• 用户地址空间可以大于物理内存空间，使得内存可以保存数量较多的进程，提高了并发性；
• 运行速度接近于内存，而成本又接近外存；
• 广泛应用于大中小微型计算机中。

8.1.2 虚拟存储器的特点

• 多次性：一个进程的数据会多次装入内存。
• 对换性：允许程序在运行过程中从内存换入和换出。
• 虚拟性：未改变系统中内存物理的大小。

8.2 请求页式分配

8.2.1 请求分配硬件支持

1. 新增多个属性的页表

页号

物理块号

状态位

访问位

修改位

外存地址

• 状态位：表明该页是否在外存
• 访问位：根据访问位来决定淘汰哪一页
• 修改位：查看此页是否在内存中被修改过
• 外存地址：该页在外存上的地址，便于调入

2. 缺页中断机构及其特点

如果访问的页不在内存，就产生一个缺页中断。

缺页中断特点

1. 同样要经历中断步骤
2. 在指令执行期间产生（和普通中断不同，普通中断是在一条指令结束后才产生）
3. 恢复执行被中断指令

3. 地址变换机构

和普通的页式存储相同：

8.2.2 内存分配策略

1. 内存分配要考虑的问题

如果分配进程的物理块少，那么内存中进程数越多，进程缺页的可能性就越高；

但是进程分配的物理块超过一定数目后，分配更多物理块对进程缺页率没有影响。

2. 分配置换的三种组合

• 固定分配局部置换
• 可变分配局部置换
• 可变分配全局置换

分析：

准备或运行时，

固定分配：
给进程的 每个物理块 分配数量固定，
运行时数量固定，按照分配数量。

可变分配：
分配时数量固定，
运行时数量不固定。

缺页时，

局部置换：
缺页进程独立，
置换分配给自身的物理块。

全局置换：
从操作系统中抠一块给缺页进程；

或者从其他进程抠一块下来，经过外存，又调回给缺页进程。

为什么没有固定分配–全局置换？
因为，固定分配要求自身缺页时，替换自身；不能要求其他进程的置换，与全局置换相悖。

8.3 页面置换算法

有关页面置换的说明：

• 所需页不在内存，该进程在内存没有可用的块。
• 不同置换选择会使系统效率有很大不同。
• 几个算法都采用固定分配局部置换策略。

8.3.1 最优页面置换算法 OPT

算法特点——发生缺页，有两个考虑的顺序:

• 当前内存中有的页以后不再被访问，置换出去
• 当前内存中几页都要被访问，选择一个最后用到的页，并把它置换出去

注意：不仅置换，调入页面也算缺页！

	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
1	7	7	7	2		2		2			2	2		2				7
2		0	0	0		0		4			0	0		0				0
3			1	1		3		3			4	3		1				1
缺页	√	√	√	√		√		√			√	√		√				√

缺页率：50%

8.3.2 先进先出置换算法 FIFO

置换最先进入内存的页：

	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
1	7	7	7	2		2	2	4	4	4	0			0	0			7	7	7
2		0	0	0		3	3	3	2	2	2			1	1			1	0	0
3			1	1		1	0	0	0	3	3			3	2			2	2	1
缺页	√	√	√	√		√	√	√	√	√	√			√	√			√	√	√

缺页率：75%

 8.3.3 最近最久使用置换算法 LRU

从缺页的那里开始逆向检查，找到最久之前使用的页面，将其置换掉：

	7	0	1	2	0	3	0	4	2	3	0	3	2	1	2	0	1	7	0	1
1	7	7	7	2		2		4	4	4	0			1		1		1
2		0	0	0		0		0	0	3	3			3		0		0
3			1	1		3		3	2	2	2			2		2		7
缺页	√	√	√	√		√		√	√	√	√			√		√		√

缺页率：60%

 8.3.5 时钟算法 Clock

1. 算法流程

需要给每个物理块增加一个附加位，称为使用位u；

当某一页装入内存时，该物理块的使用位设为1，当该物理块被使用时，它的使用位也设为1；

对于页面置换算法，把用于替换的物理块集合看作是一个循环缓冲区，并且有一个指针与之关联；

当需要进行页面置换时，两种考虑：

• 若指针所指页面u=0，置换它，指针指向下一个；
• 若指针所指页面u=1，置为0后继续扫描，直到找到一个u=0的物理块。

2. 示意图

左图为页面置换前状态，右图为页面置换后状态：