《操作系统》2018/11/28

chapter 5 虚拟存储器

1. 虚拟存储器的基本概念
   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
   一次性：作业在运行前一次性地全部装入内存
   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。
   2）局部性原理
   基于局部性原理
   程序运行前，不需全部装入内存（打破一次性）仅装入当前要运行的部分页面或段即可运行，其余部分暂留在外存上。
   缺页/段的情况：要访问的页(段) 尚未调入内存。程序应利用OS所提供的请求调页(段)功能，将它们调入内存，使程序继续执行。
   调入需要的页/段时，如果内存已满，无法再装入新页(段)，通过置换功能将内存中暂时不用的页(段)调至外存，腾出足够的内存空间。
   3）虚拟存储器的定义
   指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
   虚拟存储管理下内存逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定运行速度接近于内存速度每位的成本却接近于外存。
   4）虚拟存储器的实现
   虚拟存储管理：
   允许将一个作业分多次调入内存。
   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。
   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
   5）虚拟存储器的特征
   离散分配方式是基础
   多次性：一个作业被分成多次调入内存运行
   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）
   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。

2. 请求分页存储管理方式
   基本分页 + “请求调页”和“页面置换”功能。
   换入和换出基本单位都是长度固定的页面
   1）硬件支持
   一台具有一定容量的内/外存的计算机

• 页表机制
• 缺页中断机构
• 地址转换机构
  2）内存分配
  作业不一次装入，部分装入的情况下如何为进程分配内存，涉及三个问题：
  最小物理块数的确定
  物理块的分配策略
  物理块的分配算法
  3）调页策略
  ① 何时调入页面
  预调页策略
  以预测为基础，将预计不久后便会被访问的若干页面，预先调入内存。
  优点：一次调入若干页，效率较好
  缺点：预测不一定准确，预调入的页面可能根本不被执行到。主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些页。

请求调页策略
运行中需要的页面不在内存，便立即提出请求，由OS将其调入内存。
优点：由请求调页策略所确定调入的页，一定会被访问；比较容易实现。
缺点：每次仅调入一页，需花费较大的系统开销，增加了磁盘I/O的启动频率。
② 从何处调入页面
在请求分页系统中的外存分为：
对换区：连续存放数据，读写速度较快
文件区：离散分配方式，I/O速度相对慢
③ 页面调入过程
程序运行前需要装入内存：上述的②步策略处理何处调入；
开始运行：先预调入一部分页面；
运行中：需要的页面不在内存时，
向CPU发出一缺页中断，“中断处理程序”开始工作：
首先保留CPU环境
分析中断原因后，转入缺页中断处理程序。
处理：判断是否置换、页表信息更新
恢复现场，重新操作页面。
3. 页面置换算法
页面置换算法(page replacement algorithms)：选择换出哪些页面的算法，其好坏直接影响系统的性能。
应具有较低的缺页率：
页面调入次数（缺页次数）/总的页面使用次数

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）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。
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。
时钟算法示例
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。
算法性能比较