Lecture 18: Memory Management 5-优快云博客

本章小结：

页表：多级页表、倒排页表和性能
在使用虚拟内存时，必须做出几个关键决策

什么时候取页？需求还是预分页
哪些页面从内存中删除 ⇒ 页面替换算法

最优和FIFO页面替换算法

回顾：

虚拟内存依赖于构成一起被使用的页面组的位置，例如，与功能（代码、数据等）相关的位置。

进程在不同的位置之间移动
如果所有需要的页面都在内存中，则不会生成页面错误

页表变得更复杂（存在/不存在位，引用/修改位）和更大

页面表的再探讨

[多级]页表的访问速度

多级页表的内存组织：

根页表始终维护在内存中
页表本身由于其大小而维护在虚拟内存中

假设从主存取数据需要T纳秒

对于单页表级别，访问权限为2×T
对于两个页表级别，访问权限为3×T
……

有了两个级别，每个内存引用都变得慢了3倍：

假设第二级页表已经在主存中
在正常情况下，内存访问已经形成瓶颈

转换暂置缓冲区（Translation Look Aside Buffers，TLBs）

转换暂置缓冲区（TLBs）（通常）位于内存管理单元内部

它们缓存最常用的页表项
它们可以并行搜索

tlb背后的原理类似于操作系统中其他类型的缓存
记住：局部性（locality）表明进程对少量页面进行大量引用

使用TLB访问内存：

假设有一个单级页表
假设关联TLB查找为20ns
假设内存访问时间为100ns：①TLB Hit⇒20 + 100 = 120 ns ②TLB Miss⇒20 + 100 + 100 = 220ns

TLB性能评价：

对于80%的命中率。估计访问时间为：120×0.8+220×(1−0.8)= 140 ns（即40%的减速-相对于绝对寻址）
对于98%的命中率，估计的访问时间为：120×0.98+220×(1−0.98)= 122ns（即22%的减速）

注意，页表可以保存在虚拟内存中。由于页错误，页表会进一步（初始）变慢。

倒置页面表

“常规”的页面表大小与虚拟地址空间中的页面数量成正比（对于现代计算机来说过于庞大）
“倒置”（“inverted”）的页面表大小与主存的大小成正比

每个帧（即不是每个页面）都有一个条目
通过帧编号/哈希码进行索引（而不是通过页面编号）
当一个进程引用一个页面时，操作系统必须在（整个）倒置页面表中搜索相应的条目（即页面和进程标识）⇒ 这可能会太慢。

解决方案：使用一个将页面编号（n 位）转换为倒置页面表（哈希表）中索引的哈希函数

倒置的页面表条目

进程标识符（Process Identifier，PID）：拥有此页面的进程。
页面编号（逻辑地址空间）
保护位（读/写/执行）
链接指针：该字段指向下一个条目（哈希表可能会出现冲突）

倒置的页面表条目示例（此处未展示其他相关信息）

优点：

操作系统为所有进程维护一个单一的倒置页表
节省了空间（尤其是在虚拟地址空间远大于物理内存的情况下）

缺点：

逻辑地址到物理地址的转换变得更加困难/变慢了。
必须处理冲突，并且这会降低地址转换的速度：①哈希表避免了对整个倒置表的搜索 ②TLB有助于提高性能

通常在 64 位机器上使用（例如 Windows 10）

页面加载/替换

使用虚拟内存时需要做出两个关键决策

哪些页面会被加载以及何时加载 ⇒ 可以进行预测
哪些页面会被从内存中移除以及何时移除 ⇒ 页面替换算法

页面会在主存储器和辅助存储器之间来回移动

需求分页（Demand Paging）

需求分页按需提供
需求分页始于内存中没有页面的初始状态

第一条指令会立即引发页面错误
随后还会出现更多的页面错误，但随着时间推移，这些错误会逐渐稳定下来，直至转移到下一个存储区域（locality）
当前正在使用的页面集合被称为其工作集working set（⇔驻留集resident set）

只有在需要时才会加载页面，即在发生页面错误之后才会加载。

预分页（Pre-Paging）

当该进程启动时，所有预期要使用的页面（即工作集）都可以一次性被加载到内存中。

这可以大幅降低页面故障率（page fault rate）。
检索多个（连续存储的）页面可以减少传输时间（寻道时间、旋转延迟等）。

预分页会在产生页面故障/错误之前（尽可能多地）加载页面（⇒ 当进程被换出/换入时也会使用类似机制）

实施细节

避免不必要的页面以及页面的替换是很重要的！

让：

ma 表示内存访问时间（对于多级页表而言，该值会多次出现）；
p 表示页面故障率；
pft 表示页面故障时间。

那么，有效访问时间可表示为：Ta = (1 - p) × ma + pft × p
需要注意的是，这里并未考虑 TLB。

需求分页系统的性能评估

对于单级页表：

内存访问时间为 100 纳秒（10^(⁻9) 秒）)
需要进行两次内存访问（耗时 200 纳秒）
页面故障时间为 8 毫秒（10⁻³，要知道硬盘的读写速度较慢）

Ta = (1 - p)×200 + p ×8000000
有效访问时间与页面故障率成正比

理想情况下，所有页面都应无需分页机制而被加载到内存中

页面替换

概念

当新页面被加载且所有页面都被占用时，操作系统必须选择一个页面进行删除。
这一选择是由页面替换算法做出的，并会考虑以下因素：

该页面最后一次被使用的时间/预计下次再次使用的时间
该页面是否已被修改（只有被修改的页面需要进行写入操作）

必须明智地做出替换选择（即非随机选择），以节省时间/避免出现混乱状态。

算法

最优（Optimal）页面替换
先进先出（FIFO）页面替换：①第二次机会替换 ②时钟替换
不最近使用（Not recently used，NRU）
最近不使用（Least recently used，LRU）

最优页面替换

在理想/最优的世界里

每一页都会被标注出将要执行的指令数量或再次被使用之前的时长
那些长时间内都不会被引用的页面才是最应该被移除的页面

这种最优策略无法实际应用

它可以用于执行后的分析——即最小的页面故障次数会是多少
它为页面故障次数提供了一个下限（用于与其他算法进行比较）

理解

使用转换缓存以加快对页表的访问速度
倒置页表
获取策略（按需分页、预分页）
页面替换策略

假设页面/帧的大小为 4KB，地址空间为 16 位，则计算：

页面内偏移量所需的位数 M
表示页面所需的位数 N

使用此页表，0、8192、20500 的物理地址分别是多少？

答：① M = 12 位；N = 4 位；② 0 → 8192；8192 → 24576；20500 → 12308

一、地址划分

页/帧大小 = 4 KB = 4096 B = 2¹² B
⇒ 页内偏移 M = 12 位
地址总线 16 位
⇒ 页号 N = 16 − 12 = 4 位

二、按给定页表计算物理地址

公式：物理地址 = 帧号 × 4096 + 页内偏移

虚拟地址	页号 (VPN)	偏移	查表得帧号	物理地址
0	0	0	2	2×4096+0 = 8192
8192	2	0	6	6×4096+0 = 24576
20500	5	20	3	3×4096+20 = 12308