13 操作系统第三章 内存管理 虚拟内存 请求分页管理方式 页面置换算法 页面分配策略

1 虚拟内存

在传统存储管理方式的基础上引入了交换技术、覆盖技术，使得内存利用率有所提升，并且能从逻辑上扩充内存容量。

1.1 传统存储管理方式的特征、缺点

1. 一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：①作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行；②当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。

2. 驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。

可用虚拟存储技术解决上述问题

1.2 局部性原理

时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。（因为程序中存在大量的循环）

空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。 （因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的）

如何应用局部性原理？

高速缓冲技术的思想： 将近期会频繁访问到的数据放到更高速的存储器中，暂时用不到的数 据放在更低速存储器中。

快表机制就是将近期常访问的页表项副本放到更高速的联想寄存器中

• 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存， 就可以让程序开始执行。

• 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续 执行程序。

• 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。 在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存

• 操作系统虚拟性的一个体现，实际的物理内存大小没有变，只是在逻辑上进行了扩充。

易混知识点：

虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU寻址范围）确定的
虚拟内存的实际容量= min（内存和外存容量之和，CPU寻址范围）

Eg：某计算机地址结构为32位，按字节编址，内存大小为512MB，外存大小为2GB。 则虚拟内存的最大容量为2 ³²B=4GB
虚拟内存的实际容量=min(2 ³²B,512MB+2GB)=2GB+512MB

1.3 虚拟内存主要特征

虚拟内存有一下三个主要特征：

1. 多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。
2. 对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。
3. 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

1.4 如何实现虚拟内存技术

虚拟内存技术，允许一个作业分多次调入内存。如果采用连续分配方式，会不方便实现。因此， 虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上。

主要区别：

1. 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。 操作系统要提供请求调页（或请求调段）功能

2. 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。操作系统要提供页面置换（或段置换）的功能

1.5 虚拟内存的基本概念小结

2 请求分页管理方式

请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别：

1. 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。 操作系统要提供请求调页功能， 将缺失页面从外存调入内存
2. 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。 操作系统要提供页面置换的功能， 将暂时用不到的页面换出外存

2.1 页表机制

1. 与基本分页管理相比，请求分页管理中，为了实现“请求调页”，操作系统需要知道每个页面是否已经调入内存；如果还没调入，那么也需要知道该页面在外存中存放的位置。