第五章 虚拟存储器

虚拟存储器

1.虚拟存储器的基本概念

引入、实现、特征

2.请求分页存储管理方式

1 硬件支持、地址变换、分配算法
2 页面置换算法
3 性能分析

3.请求分段存储管理方式

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
   1968年，Denning.P提出
   程序在执行时将呈现出局部性规律：
   在一较短的时间内
   程序的执行仅局限于某个部分；
   相应地，所访问的存储空间也局限于某个区域。

交换技术与虚存使用的调入调出技术有何相同和不同之处？

主要相同点是都要在内存与外存之间交换信息；
主要区别在于交换技术换出换进一般是整个进程(proc结构和共享正文段除外)，因此一个进程的大小受物理存储器的限制；
而虚存中使用的调入调出技术在内存与外存之间来回传递的是存储页或存储段，而不是整个进程，从而使得进程映射具有了更大的灵活性，且允许进程的大小比可用的物理存储空间大的多 。
1
2
3
3）虚拟存储器的定义
所谓“虚拟存储器”，是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。

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

3.页面置换算法
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

最佳Optimal置换算法
先进先出FIFO置换算法
最近最久未使用(LRU)置换算法
CLOCK置换算法
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）

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。

※ 影响缺页率的主要因素
(1)分配给作业的主存块数:
多则缺页率低，反之则高。
(2)页面大小：
大则缺页率低；反之则高。
(3)页面调度算法：
对缺页中断率影响很大，但不可能找到一种最佳算法。
(4)程序编制方法：
以数组运算为例，如果每一行元素存放在一页中，则按行处理各元素缺页中断率低；反之，按列处理各元素，则缺页中断率高

1)分配给作业的主存块数:
多则缺页率低，反之则高。
(2)页面大小：
大则缺页率低；反之则高。
(3)页面调度算法：
对缺页中断率影响很大，但不可能找到一种最佳算法。
(4)程序编制方法：
以数组运算为例，如果每一行元素存放在一页中，则按行处理各元素缺页中断率低；反之，按列处理各元素，则缺页中断率高

---

驻留集
驻留(常驻)集是指在当前时刻，进程实际驻留在内存当中的页面集合。
工作集是进程在运行过程中固有的性质，而驻留集取决于系统分配给进程的物理页面数目，以及所采用的页面置换算法；
如果一个进程的整个工作集都在内存当中，即驻留集  工作集，那么进程将很顺利地运行，而不会造成太多的缺页中断（直到工作集发生剧烈变动，从而过渡到另一个状态）；
当驻留集达到某个数目之后，再给它分配更多的物理页面，缺页率也不会明显下降。

4.请求分段存储管理方式
在请求分段系统中，程序运行之前，只需先调入若干个分段(不必调入所有的分段)，便可启动运行。当所访问的段不在内存中时，可请求OS将所缺的段调入内存。
1）请求分段中的硬件支持
1.段表机制
2.缺段中断机构
3.地址变换机构

①段表机制
(1) 存取方式 ：用于标识本分段的存取属性。R,R/W,W
(2) 访问字段A ：用于记录本段被访问的频繁程度。
(3) 修改位M ：表示该段在调入内存后是否被修改过。
(4) 存在状态位P ：指示该段是否已调入内存。
(5) 增补位 ：特有字段，表示该段运行中是否做过动态增长
(6) 外存地址：用于指出该段在外存上的起始地址(盘块号)。
②缺段中断机构
发现运行进程所访问段尚未调入内存
由缺段中断机构产生一缺段中断信号
进入OS，由缺段中断处理程序将所需的段调入内存。
缺段中断同样在一条指令的执行期间产生和处理中断，一条指令执行可能产生多次缺段中断。但不会出现一条指令被分割在两个分段中或一组信息被分割在两个分段中的情况。
③ 地址变换机构
基于分段系统地址变换机构的基础
段调入内存
修改段表
再利用段表进行地址变换。
总之：就是增加了缺段中断的请求及处理等功能

2）分段的共享和保护
分段在逻辑意义上划分，实现共享和保护都较方便。以下讨论具体实现：
①实现共享：共享段表

在内存中配置一张共享段表，每个共享段都占有一表项，记录如下内容：
共享计数count：
共享段为多个进程所需要，当某进程不再需要它而释放它时，系统并不回收该段所占内存区，仅当所有共享该段的进程全都不再需要它时，才由系统回收该段所占内存区。设置count用于记录有多少个进程需要共享该分段
② 共享段如何分享与回收
共享段的分配
第一个请求使用该共享段的进程A：系统为该共享段分配一物理区，再把共享段装入该区；
将该区的始址填入A的段表相应项；
共享段表中增加一表项，填写有关数据，count置1；
其他进程B也调用该共享段时，无需再为该段分配内存，只需在B的段表中增加一表项，填写该共享段的物理地址；在共享段的段表中，填上调用进程的进程名、存取控制等，再执行count:=count+1操作。
共享段的回收
包括撤消在进程段表中共享段所对应的表项，执行count:=count-1。
如果count为0，则由系统回收该共享段的物理内存，并取消共享段表中该段所对应的表项。
③ 分段保护
越界检查
段表寄存器存放了段表长度；段表中存放了每个段的段长。
在进行存储访问时，将段号与段表长度比较，段内地址与段长比较。
存取控制检查
尤其表现在不同进程对共享段的不同使用上。段表每个表项都设置“存取控制”字段，规定该段的访问方式：只读，只执行，读/写
环保护机构
规定：低编号的环具有高优先权
遵循的原则：一个程序可以访问驻留在相同环或较低特权环中的数据。一个程序可以调用驻留在相同环或较高特权环中的服务