操作系统——虚拟内存篇

概念

内存管理策略的目标是：同时将多个进程保存在内存中，以便允许执行多个程序。然而，这些策略都倾向于要求每个进程在执行前完全处于内存中。
虚拟内存技术允许执行进程不必完全处于内存，它将逻辑内存和物理内存分离，允许进程轻松实现文件共享和内存共享。

实现原理

1. 将磁盘上的空间分页，内存中的空间分页。
2. 用户使用的是虚拟内存。
3. 虚拟内存上的页对应的是内存或者磁盘空间上的页。
4. 如果使用虚拟空间上的页，就会将这个页映射到内存的物理页上，如果这个页还在磁盘，就需要先加载到内存。

优势

1. 将逻辑内存和物理内存分开，在现有的有限的物理内存下给程序员提供巨大的虚拟内存。
2. 多个进程在虚拟内存中都用到了相同的共享库，每个进程在虚拟内存都加载了这个库，但是在物理内存中只有一个，虚拟内存的共享库都映射到了这一个库上面。
3. 允许内存共享

虚拟地址空间

虚拟地址空间就是进程如何在内存中存放的逻辑视图（就是进程在虚拟内存中如何放置）。
从下到上：代码——数据——堆（向上增长）——栈（向下增长）
每个进程都是这样的连续的虚拟地址空间，但是通过映射对应到物理内存就不是连续的了。

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实现细节

主要研究内存和磁盘通过页为单位换出换入，当使用页在磁盘中时，应该换入几个，内存满了以后，应该换出哪个页。

请求调页

仅在需要时候才加载页面，这种技术叫做请求调页。（但是预先也会加载一些大概率会用到的页到物理内存中）

概念

在逻辑内存和物理内存之间有一个页表，逻辑内存是0-7页，页表就有0-7项，其内容对应着物理内存中的地址，并且每项还有一个有效-无效位，无效代表物理内存中还没有加入需要的页（也就是，页还在磁盘中）。
当访问到无效的页表项，操作系统将磁盘数据加载到内存。

性能

缺页会发生的操作：

1. 陷入操作系统
2. 保存用户寄存器和进程状态
3. 确定页面磁盘位置
4. 从磁盘读入内存（加入磁盘IO队列，直到请求被处理，磁盘寻道读数据）
5. 在CPU空闲阶段将CPU交给其他进程，当调页成功后，终止其他进程
6. 等待CPU分给缺页进程
7. 恢复上下文
   为了缺页可接受，40万次访问才能出现一次缺页。

请求调页需要解决的两个主要问题：固定数量的页如何分配给各种进程，页面置换时如何选择牺牲页

写时复制

系统通过fork（）创建了一个父进程的复制，以作为子进程。使用写时复制技术，那么父进程和子进程共用相同的物理内存，这些页被标记为写时复制，意味着任何一个进程写入共享页面，那么就创建共享页面的副本。

页面置换

我们想将磁盘中的帧加载到内存页上，可能所有内存页都满了，那么就需要页面置换。

基本页面置换

方案一：找空闲页，如果没有就使用页面置换算法选择一个牺牲页，将牺牲页写入磁盘，就目标页写入牺牲页的位置。
方案二：页采用修改位，没修改的页不写回磁盘中。
页面置换算法：如果硬件支持LRU，则使用LRU，否则就只能使用FIFO算法或者LRU的近似算法了。

FIFO页面置换算法

FIFO页面置换算法为每个页面记录了调到内存的时间，当必须要置换时，将选择最旧的页。

最优页面置换算法

置换最长时间不会使用的页面。
但是因为要预测将来，难以实现。

最优页面置换算法的近似——LRU页面置换算法（Lasted-Recent-Used）

将最近的过去作为将来的近似，从而置换最长时间没使用的页。
也叫做最近最少使用算法。
LRU需要硬件支持，是一个常用的页面置换算法。
实现：

1. 计数器方案：CPU添加一个逻辑时钟，每次内存引用都会递增，当页面引用时，会将值写入页中，我们只需要置换时间数最小的页就行了。
2. 栈方案：最近最少使用的页在栈低。

没有LRU实现的硬件，用FIFO实现最近最少使用的思想

原理：为那些修改的页赋予更高级别，从而降低IO数量
实现：

1. 额外引用位算法：一个8位的页面引用位，一个时间周期左移，如果被引用了就加1，
2. 二次机会算法：引入引用位，但是是一位，但是被引用后有二次机会，FIFO遍历到时候，会有一次免死机会（将引用位1-》0）。
3. 增强型二次机会算法：引入修改位和引用位（0，0），（0，1）。。。。FIFO遍历。

页面缓冲算法

除了页面置换算法，操作系统还会采用其他措施。
例如，系统通常保留一个空闲页缓冲池。在选出牺牲页之前就将目标页写入到缓冲页中了，这种措施允许进程尽快重新启动，而无需等待写出牺牲帧。
保留一个空闲页池。

应用程序与页面置换：如果应用程序实现了自己的内存使用逻辑，那么就不应该用操作系统的了

在某些情况下，应用程序有自己的内存实现逻辑，此时操作系统再使用虚拟内存反而会导致效率下降。比如数据库。
对于这些问题，操作系统分出了原始磁盘，原始IO绕过了文件系统，使用数据库的实现原理，从而提高效率。

页分配

在各个进程之间，如何分配固定数量的可用内存，从而最少缺页。

分配算法

平均分配和按照进程大小的比例分配和按照优先级的比例分配。
通常使用的就是优先级比例分配的。

页面置换：全局置换与局部置换

全局置换就是能将所有进程中的适合页作为牺牲页。
局部置换只能将自己进程中的页作为牺牲页。
全局置换会有更好的系统吞吐量，因此是更常用的算法。

系统抖动

高度的页面调度。
通过局部置换算法或优先权置换算法可以限制系统抖动。

内存映射文件

当用户打开一个文件后，操作系统通常会使用虚拟内存来管理内存和磁盘之间的数据交互。