操作系统基础：虚拟内存【上】

个人主页：godspeed_lucip
系列专栏：OS从基础到进阶

---

---

1 虚拟内存的基本概念

1.1 总览

1.2 传统存储管理方式的缺点

1.3 局部性原理

1.4 虚拟内存

1.4.1 定义

1.4.2 特征

1.5 如何实现虚拟内存

1.5.1 需要解决的两个问题

（1）

此时操作系统需要提供请求调页（请求调段）功能
（2）

此时操作系统需要提供页面置换（段置换功能）

1.5.2 常采用的技术

1.6 总结

2 请求分页管理方法

2.1 总览

2.2 页表机制

2.2.1 需考虑的问题

为了实现虚拟内存的请求调页和页面置换功能，我们需要考虑以下问题

2.2.2 页表的基本结构

访问字段：优先将访问次数较少的内存块调出内存
修改位：在将内存块调出内存时，对于已经修改过的内存块，需要将修改内容重新写入外存。
其他字段较为简单不再赘述

2.3 缺页中断机制

2.3.1 什么是缺页中断机制

2.3.2 过程

2.4 地址变换机制

2.4.1 过程

与普通页表的地址变化过程类似。注意此处是引入了快表的

当发生缺页中断时，需要进行的护处理如下：

2.4.2 补充细节

与上图中标注的序号匹配。

2.5 总结

3 页面置换算法

3.1 总览

3.2 最佳置换算法（OPT）

3.2.1 算法思想

3.2.2 例子

首先，页面会逐渐先将内存填满，如图所示

接着，进程需要2号页面，但是内存中没有，于是发生缺页中断。剩余的页面号引用串为0304230321201701，而内存中已经存在的页面为701，于是操作系统依次对页面进行查找，确定701中最后一个在页面号引用串中出现的数字，容易得到为7，于是将7号页面换出，将2号页面换入。

3.2.3 缺点

（1）是一种理想算法

（2）注意

3.3 先进先出置换算法（FIFO）

3.3.1 算法思想

3.3.2 例子

首先，页面会逐渐将内存填满，如图

接着，系统需要访问0号页面，但内存中没有，于是发生缺页异常。此时的页面队列为3 <- 2 <- 1，3是最先进去的，所以系统将3替换为0。

3.3.3 缺点

3.4 最近最久未使用置换算法（LRU）

3.4.1 算法思想

3.4.2 例子

假如系统的内存块数量为4，且会访问的页面串为：
1，8，1，7，8，2，3
首先，页面会逐渐将内存块填满，如图：

接着，系统访问7号页面，发现内存中没有，于是发生缺页异常，此时我们可以发现现有的页面1872中，它们的自上次被访问以来所经历的时间依次为3、2、1、0。所以系统将1号页面换出，换为3号页面。
我们在做题时，也可以逆序查找。比如此处内存中的页面为1872，而它们的逆序页面号为2、8、7、1，所以1是最久没有使用的，可以将其替换。

3.4.3 缺点

它的效率最接近最佳替换算法，但是：

3.5 时钟置换算法

3.5.1 算法思想

访问位示意图：

3.5.2 例子

因为进程有5个内存块，所以页面的循环队列的长度应该是5。初始时13425会依次填满内存块（这五个页面都被访问，于是它们的访问位都置为1），当访问到6号页面时，操作系统发现缺页，于是产生缺页异常，此时的循环队列为（1->3->4->2->5->1）。操作系统首先从队列的开头（1）寻找最近没有被访问的页面，直至查找到5，所有的页面都被访问过，于是按照时钟置换算法将所有页面的访问位都置为0，并再次开始寻找，此时第一个为0的页面是1，于是操作系统将1号页面换出，换入6号页面。

3.6 改进型的时钟置换算法

3.6.1 算法思想

3.6.2 算法实现方法

3.6.3 例子

（1）只需一轮扫描：

（2）需要两轮扫描：

（3）需要三轮扫描

（4）需要四轮扫描

3.6.4 对算法的进一步理解

3.7 总结

4 总结

操作系统，如默默守护的守夜者，无声地管理硬件与软件的交流，为计算机创造和谐秩序。

它是无形的引导者，让复杂的任务变得井然有序，为用户提供无忧体验。

操作系统的巧妙设计，让计算机变得更加智能高效，让人与科技之间的交流更加顺畅。

在每一次启动中，它如信任的伙伴，带领我们进入数字世界的奇妙旅程。

渴望挑战操作系统的学习路径和掌握进阶技术？不妨点击下方链接，一同探讨更多操作系统的奇迹吧。我们推出了引领趋势的OS专栏：《OS从基础到进阶》 ，旨在深度探索OS的实际应用和创新。