计算机操作系统笔记（5）

第五章虚拟存储器

5.1虚拟存储器概述

解决问题：从逻辑上扩充内存容量

传统存储器管理特征（虚拟存储不必要）：

1. 一次性（全部装入）
2. 驻留性（驻留在内存不换出）

局部性原理：

• 时间局部性
• 空间局部性

虚拟存储器：

• 概念：具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储系统
• 实质：以时间换空间（但时间牺牲不大）

实现方式：

1. 请求分页系统：以页为单位对换
   需要硬件：
   1）请求分页的页表机制
   2）缺页中断
   2）地址变换机构
   需要软件：
   实现请求分页机制
2. 请求分段系统：以段位单位对换
   需要硬件：
   1）请求分段的段表结构
   2）缺段中断
   3）地址变换机构
   需要软件：
   实现请求分段机制

特征：

1. 离散型（部分装入）
2. 多次性（局部装入，多次装入）
3. 对换性
4. 虚拟性

虚拟存储器的调入需要动态重定位

5.2请求分页系统

硬件支持

页表机制：

• 中断位：也称状态位，表示该页是否已调入内存
• 访问位：记录本页在一段时间内被访问次数
• 修改位：表示该页调入内存后是否修改过
• 辅存地址（外存地址）：指出该页在辅存上的地址

缺页中断机构：当所要页面不在内存时产生，缺页中断

• 可在指令执行期间产生，转入缺页中断处理程序
• 一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断

地址变换机构：

（请求分页中的地址变换过程）

内存分配策略和分配算法

最小物理块数：能保证进程正常运行所需的最小物理块数
（不同的作业要求不同，比如间接寻址至少要三个物理块）

页面分配和置换策略：

1. 固定分配局部置换
   给每个进程分配一组固定数目的物理块，每次置换只能从这些页面（物理块）中置换
   缺点：难以确定固定分配的页数
2. 可变分配全局置换
3. 可变分配局部置换
   根据进程的缺页率进行页面数的调整，进程之间相互不会影响

物理块分配算法：

1. 平均分配算法（不好）
   将物理块平均分配给各个进程
2. 按进程大小比例分配算法
   $s=\sum ^{n}_{i=1}, b_{i}=\frac{S_{i}}{S}\times m$
3. 考虑优先权分配算法

页面调入策略

1. 调入时机
   预调：根据空间局部性（成功率<=50%）
   请求时调入：100%成功，但较费系统开销
2. 从何处调页
   对换区（系统有足够的对换区空间）：全部从对换区调入所需页面（快）
   文件区（系统缺少足够的对换区空间）：修改过的页面换出到对换区（稍慢）
   UNIX方式：未运行过的页面，都应从文件区调入。曾经运行过但又被换出的页面，从对换区调入。对共享页，应判断其是否在内存区。
3. 页面调入过程

缺页率

缺页：要访问的页不在内存
$f=\frac{F}{A}=1-命中率$，F为访问页面失败次数，A为进程总的页面访问次数
缺页率受影响因素

1. 页面大小（操作系统可干预）
2. 进程所分配物理块数目（操作系统可干预）
3. 页面置换算法（操作系统可干预）
4. 程序固有特性（操作系统不可干预）

5.3页面置换算法

最佳置换算法（OPT）

描述：调出的页面是以后永不使用的，或是在最长（未来）时间内不再访问的页面
特点：缺页率第，但不可实现

先进先出页面置换算法（FIFO）

描述：调出最先进入内存的页面（调出则在内存驻留时间久的页面）

最近最久未使用置换算法（LRU）

描述：选择最近最久未使用的页面调出（利用“最近的过去”作为“最近的将来”的近似）
特点：FIFO的改进

硬件支持：

1. 寄存器：为每个在内存中的进程配置一个移位寄存器，记录每个进程在内存中各页的使用情况
   $R=R_{n-1}R_{n-2}R_{n-3}...R_{2}R_{1}R_{0}$
   过程：
   每次被访问到的高位置1
   定时将寄存器右移一位
   把最小数值的寄存器所对应的页面当成最近最久未使用页面
2. 栈：栈顶是最新被访问页面的编号，栈底是最近最久未使用页面的页面号
   过程：进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶

Clock置换算法

描述：

特点：性能近似LRU

改进型Clock置换算法

描述
由访问为A和修改位M可以组合成四种类型的页面：

• 1类：A=0,M=0
  该页最近即未被访问又未被修改，是最佳淘汰页
• 2类：A=0,M=1
  该页最近未被访问，但被修改，是次好淘汰页
• 3类：A=1,M=0
  该页最近被访问，未被修改，不需要重写
• 4类：A=1,M=1
  该页最近即被访问又被修改，很可能再次被访问

特点：目前主流，性能接近LRU，开销比LRU小

*过程：

1. 从指针指向位置为起始，进行一轮扫描，寻找1类，找到则淘汰结束
2. 从起始开始，进行第二轮扫描，寻找2类，找到则淘汰结束，扫描过的访问位置0
3. 所有访问位置0，回到步骤1、2

请求分页系统的性能分析

分页系统是目前最常用的一种存储方式，其性能受缺页率影响，缺页率与进程所占用的物理块数有关
缺页率与有效访问时间：

• 有效访问时间=(1-p)t+pf
  （p为缺页率，t为内存访问时间，f为缺页中断时间）
• 结论：
  有效访问时间直接比例于缺页率，改善请求分页系统的性能，需要保持非常低的缺页率，同时提高I/O速度

抖动

概念：一种系统状态，系统花在页面替换上的时间远远大于执行进程的时间
原因：分配给进程的页面数少于进程所需要的最低页面数，导致不断的缺页中断
结论：可以利用CPU利用率与多道程序度检测消除抖动

5.4请求分段系统

段表机制：

• 存取方式：根据段中信息的属性实施的保护（只执行、只读、可读/写）
• 增补位：本段在运行过程中是否做过动态增长
  

缺段中断机构：

地址变换机构：

*分段的共享与保护

共享段表：多了一个共享段表项，记录进程计数count和共享进程清单
共享段的分配：进程段表增加表项记录共享段信息，共享段表项中count++、进程清单增加进程信息
共享段的回收：count--，回收进程段表中记录共享段的表项
分段保护：越界检查、存取控制检查、环保护机构

纯调入和请求调入

区别：
纯调入：只考虑内存分配问题，不考虑缺页情况（越界肯定就是越界）
请求调入：纯调入基础上还要考虑缺页情况，以及考虑缺页后的调度或置换问题（越界可能是作业在虚存上需要缺页中断请求调入）