操作系统概念——第9章 虚拟内存

1. 背景

之前的内存管理方法需要进程在执行之前将整个进程放在内存中。虚拟内存技术允许执行进程不必完全在内存中。这使得程序可以大于内存的大小。
特点
① 将逻辑内存和物理内存分开
② 允许文件或内存通过共享页为多个进程共享

（1）虚拟地址空间
进程如何在内存中存放的逻辑视图
（起始仔细看看，它很像进程的PCB）

理解：
① 栈堆之间的空白空间为虚拟地址的一部分，只有栈和堆生长时，才需要实际的物理页。
② 稀地址空间：包含空白的虚拟地址空间

（2）共享页
① 通过将共享对象映射到虚拟地址空间，系统库可为多个进程共享。库按照只读的方式链接每个进程。
② 虚拟内存允许进程共享内存。允许进程创建内存区域，用于进程间共享
③ 允许系统调用for()创建进程进行期间的共享页

问题：为什么使用虚拟内存，它的优点是什么？

① 程序大小不受内存的限制： 进程不必完全装入内存
② CPU利用率提高： 每个程序占用的物理内存减少，更多的进程可以同时进行
③ 运行速度加快： 载入或交换程序到内存的I/O次数减少
③ 允许文件或内存通过共享页为两个或多个进程共享

2. 按需调页

定义
对于按需调用虚拟内存，只有程序执行需要时才载入页，那些从未访问的页不会调入物理内存。

按需调页系统
① 进程驻留在第二级存储器上（通常是磁盘）
② 当需要执行进程时，使用懒惰交换。将进程执行需要页调入内存

纯粹按需调页
所有的页都不在内存中，就开始执行进程。会不断出现页错误直到所有的页均在内存中。

问题：交换程序与调页程序的区别

① 交换程序是对整个进程进行操作
② 调页程序是对单个页进行操作。

2.1 基本概念

调页程序不是调入整个进程，而是把那些必须的页调入内存。
（1）调页程序的优点
① 减少了交换时间
② 减少了所需的物理内存空间

当换入进程时，调页程序推测在该进程再次换出之前会用到那些页。因此需要一定形式的硬件支持来区分哪些页在内存里，哪些页在磁盘中。
（2）有效位-无效位
在页表中同时存储有效/无效位。
有效：相关页有效且在内存中
无效：相关页无效（不在进程的逻辑空间内）、页有效但在磁盘上
页错误陷阱：当进程需要执行和访问不在内存中的页时（分页硬件发现页设置为无效），会产生页错误陷阱，陷入操作系统。
当进程执行和访问驻留在内存中的页时，执行会正常进行。对标记无效的访问会产生“页错误陷阱(page-fault trap)”，陷入操作系统。

问题：如何处理页错误？

（3）处理页错误的步骤
①访问：进程执行和访问未装入内存的页时，分页硬件发现已设置了无效位，产生页错误陷阱。
②捕获页错误：产生中断，陷入操作系统，检查内部页表引用是否合法。若引用非法则终止进程，否则需要调入页面。
③装入失效页：找到一个空闲帧，调度一个磁盘操作，以便将所需的页调入刚分配的帧。
④重置页表
⑤重启因陷阱而中断的指令：这种重复的工作不会很多（小于一个完整指令）

问题：从局部性的角度说明按需调用的合理性

背景： 单个指令可能访问多个页的内存，从而一个指令可能产生多个页错误。这会产生无法接收的系统性能。

分析： 这种情况是极为少见的。
① 局部模型说明，进程执行时是从一个局部移向另一个局部。局部是一个经常使用页的集合。
② 在同一局部内，进程只会在所需页均装入内存之前发生页错误。

2.2 按需调页的性能

（1）有效内存访问时间
对于绝大数计算机系统而言，内存访问时间（ma）的范围为 10~200ns.
$$有效访问时间=(1-p)\times ma+p\times 页错误时间$$

其中，p为页错误的概率。
（2）页错误时间
主要有三部分组成：①处理页错误中断、②读入页、③重新启动进程。

问题：有效内存访问时间的计算方法

举例
设平均页错误处理时间为8ms，内存访问时间为200ns，则有效内存访问时间为
$$=(1-p)\times$$