操作系统笔记第五章 （虚拟存储器）

分析常规存储器管理不足的原因：

1）常规存储器管理方式的特征

u一次性：作业在运行前一次性地全部装入内存

u驻留性：作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直至作业运行结束。

总之：

u为了用小的内存实现在大的虚空间中程序的运行目的

u基于局部性原理

u虚拟存储器管理——由操作系统提供一个比实际内存大的，假想的特大存储器。

 

虚拟存储管理：

允许将一个作业分多次调入内存。

u若采用连续分配方式，需申请足够空间，再分多次装入，造成内存资源浪费，并不能从逻辑上扩大内存容量。

u虚拟的实现建立在离散分配存储管理基础上

方式：请求分页/请求分段系统

细节：分页/段机构、中断机构、地址变换机构、软件支持

1.虚拟存储器的特征

 

离散分配方式是基础

n多次性：一个作业被分成多次调入内存运行

n对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出。（进程整体对换不算虚拟）

n最终体现虚拟性：能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。

##置换算法

1.最佳Optimal置换算法

2.先进先出FIFO置换算法

3.最近最久未使用(LRU)置换算法

4.CLOCK置换算法

5.其他

        1）最佳（Optimal）置换算法

Belady，1966年提出的一种理论上的算法

换出以后永不再用的，或在最长(未来)时间内不再被访问的页面。

优点：保证获得最低的缺页率

不足：无法实现，因为无法预知一进程将来的运行情况

作用：作为参照标准，评价其他算法。

2）先进先出置换算法（FIFO）

先进入的先淘汰，即选择内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

优点：实现简单，把一进程已调入内存的页面按先后次序组织成一个队列，并设置一个指针(替换指针)，使它总是指向队首最老的页面。

不足：与进程实际运行规律不相适应（较早调入的页往往是经常被访问的页，频繁被对换造成运行性能降低）

Belady现象：出现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常现象。

描述：一个进程P要访问M个页，OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时，PE(S, N)时而增大，时而减小。

Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾，即被置换的页面并不是进程不会访问的。

     3）最近最久未使用(LRU)置换算法

无法预测将来的使用情况，只能利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似，因此，LRU置换算法选择最近最久未使用（least recently used）的页面予以淘汰。

不足：

有时页面过去和未来的走向之间并无必然的联系。

相应的需较多的硬件支持：记录每个页面自上次被访问以来所经历的时间t，淘汰时选择页面t值最大的；以及需要快速地知道哪一页是最近最久未使用的页面，用寄存器或栈。

4）轮转算法(clock)
又称最近未使用算法(NRU, Not Recently Used)，

LRU(最近最久未使用算法)近似算法

折衷FIFO

每个页设一个使用标志位(use bit)，若该页被访问则将其置为1。

设置一个指针，从当前指针位置开始按地址先后检查各页，寻找use bit=0的页面作为被置换页。

若指针经过的页use bit=1，修改use bit=0（暂不凋出，给被用过的页面驻留的机会 ），指针继续向下。到所有页面末尾后再返回队首检查。

改进CLOCK

改进：主要考虑对没访问过的页面再细分是否修改过的不同情况，减少因修改造成的频繁I/O操作。

每页除记录是否用过A，还记录是否修改的标志M。置换时根据两个标志的值有4种不同情况的处理。

5）其他置换算法

最少使用 (LFU, Least Frequently Used)

关键在次数记录上

每页设置访问计数器，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1；缺页中断时，淘汰计数值最小的页面，并将所有计数清零；

计数的实现类似LRU，用移位寄存器，但比较时不是简单比较寄存器的值，而是比较寄存器每位的和∑Ri。