第三章 内存管理 虚拟内存管理

原文地址：第三章 内存管理——王道操作系统 – Beatless

目录

二、虚拟内存管理

虚拟内存的基本概念

请求分页管理方式

页框分配

页面置换算法

抖动和工作集

内存映射文件

虚拟存储器性能影响

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二、虚拟内存管理

虚拟内存的基本概念

1、传统存储方式的特征

（1）一次性：作业必须一次性装入内存后，才能开始运行。

导致的问题：
① 当作业很大而不能全部被装入内存时，将使该作业无法运行；
② 当大量作业要求运行时，由于内存有限，只能让少数作业运行，导致多道程序并发性下降。

（2）驻留性：作业被装入内存后，一直驻留在内存里，除非运行结束，请求IO操作会导致阻塞，可能长期处于等待状态。

2、局部性原理

（1）时间局部性（2）空间局部性

广义上来说，快表、页高速缓存及虚拟内存技术都属于高速缓存技术，而它依赖于局部性原理。

虚拟内存技术实际上建立了“内存-外存”的两级存储器结构，利用局部性原理实现高速缓存技术。

3、虚拟存储器的定义和特征

请求调页（请求调段）：当想要访问的页面（段）不在内存中时，由操作系统负责将所需要的信息从外存调入内存，然后继续执行程序。

页面置换（段置换）：当内存空间不够时，由操作系统负责将内存中暂时不用的信息换到外存。

部分装入：在程序装入时，仅需要将程序当前运行要用到的少数页面（段）装入内存，而将其余部分暂留在外存，便可以启动程序执行。

请求调页、页面置换和部分装入都是对用户透明的。

虚拟存储器的特征：
（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。即只需将当前运行的那部分程序和数据装入内存即可运行。
（2）对换性：作业运行过程中，将暂时不使用的程序和数据调到外存中（换出）。
（3）虚拟性：从逻辑上扩充了内存容量，使用户看到的远大于实际的内存容量。

4、虚拟内存技术的实现

若采用连续内存分配方式，会使相当一部分内存空间处于”暂时“或”永久“空闲状态，造成内存资源的严重浪费，一次虚拟内存技术的实现建立在离散分配方式之上。

实现方式：① 请求分页存储管理；② 请求分段存储管理；③ 请求段页式存储管理

不论哪种实现方式都需要一定的硬件支持：
（1）一定的内存和外存；
（2）页表或段表机制作为主要的数据结构；
（3）中断机构，当前用户程序要访问的部分尚未调入内存，产生缺页中断；
（4）地址变换机构，将CPU生成的逻辑地址映射到物理地址。

请求分页管理方式

请求分页管理方式建立在基本分页系统的基础之上，为支持虚拟存储器功能而增加了请求调页和页面置换功能，包含页表机制、缺页中断机制、地址变换机构。

1、页表机制

基本页表项：页号、物理块号。
请求分页的页表项：页号、物理块号、状态位、访问字段、修改位、外存地址。

状态位P：表示当前页面是否在内存中，若在则为1，若不在则为0。
访问字段A：表示近一段时间内该页面被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问。
修改位M：表示当前页面在调入后是否被修改过，以决定换出时是否写回外存。
外存地址：记录该页在外存中的存放地址，通常是物理块号，供调入页面时参考。

2、缺页中断机制

在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存中的时候，便产生一个缺页中断，然后由OS的缺页中断处理程序处理。此时缺页的进程被阻塞，放入阻塞队列，当调页完成后唤醒并放回就绪队列。

缺页中断处理过程：
（1）若内存中由空闲块，则为进程分配一个空闲块，将缺的页面装入，并修改页表中相应的页表项。
（2）若内存中没有空闲块，则有页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过&#x