《操作系统》课程笔记（Ch09-虚拟内存）

之前讨论的内存管理策略都将多个进程保存在内存中，实现多道程序。本节介绍虚拟内存技术，使得进程不必完全处于内存，而可以通过与后备存储器进行换入换出等技术，使用大于物理内存的内存空间。

请求调页

仅在需要时才（从后备存储器）加载页面（到内存）。

当进程试图访问尚未调入内存中的页面时，发生缺页错误。缺页错误的中断发生在指令执行过程中。当处理结束后，重新启动被陷阱中断的指令（即当前指令）。

缺页情形下的有效访问时间：EAT=p*缺页情况时间+(1-p)*内存访问时间，p为缺页率。

对于请求调页，降低缺页率很重要，否则会增加有效访问时间。

写时复制 Copy on Write

父进程和子进程最初共享相同的页面来工作。如果某个进程需要写入共享页面，那么就创建共享页面的副本用来修改。

页面置换

当没有空闲帧时，牺牲一个帧，用于调入新的帧。

我们希望页面置换能有最小缺页错误率。页面置换有许多种算法：

• FIFO先进先出：优先换掉最老的帧

  • 问题：Belady异常

    按道理来说，可用帧数越多，缺页错误越少。但对于某些引用串，帧数多的，缺页率反而高。

• OPT最优：离线算法，假设能看到以后的所有访问目标

  向未来看，换掉最远才被使用的帧（找不到就是无穷远）

• LRU最近最少使用：回头看，总结过去

  向过去看，换掉目前用的最少的帧，如果有等同的，则换掉更老的

LRU算法近似化

真正的LRU很难被硬件支持。通常使用一些近似的方法：

• 引用位

  使用1位标记位，最初为0，用了就为1，替换时换0的（即没用的）

  缺点是不能知道具体先后顺序

• 第二次机会

  维护一个“下个牺牲”指针。引用位为0就替换；为1则给第二次机会，引用位置0，指针下移。

  这样，这一位只有在再次被指针指到时才会牺牲

• 增强型第二次机会

  使用两个bit，细分情况

帧分配

解决在各个进程间如何分配固定数量的可用内存的问题。

• 平均分配
• 比例分配

系统抖动

抖动指的是高度页面调度活动，造成的原因是进程获得的页面帧数不足以支持它的活动，使得它需要频繁进行页面调换。

抖动说明多道程序程度过高，此时的表现是CPU利用率很低，而磁盘高度活动。解决方法是适当降低多道程序程度。

防止抖动

工作集模型

为了防止抖动，应为进程提供足够多的帧，但也不能过多。如何知道进程需要多少帧？可以使用工作集模型进行近似。

工作集是最近Δ个引用（往前看Δ项）组成的页面集合。WSSi表示进程Pi的工作集长度，D=ΣWSSi就是帧的总需求量，如果D大于帧的总量，则会发生抖动。

工作集模型利用的是程序的局部性原理。Δ不能太大，否则会包含程序的多个局部；也不能太小，否则无法包含整个局部。

缺页错误频率

根据进程发生缺页错误的频率与上下阈值的关系，动态地为它增加或减少帧数。

内核内存

为内核分配内存不同于为普通用户模式进程分配，主要有两个不同点：

• 内核使用的数据结构大小不同，有的小于一页，因此内核要保守地使用内存，并减少碎片浪费
• 一些硬件设备与物理内存直接交互，无法使用虚拟内存技术，必须常驻在连续的物理内存中

伙伴系统 Buddy System

对物理连续的页面按照2的幂进行分割与分配（每个段落分为两个伙伴），当内存交还时，可以快速合并小块为大块。

缺点是，由于圆整到下一个2的幂，很可能造成分配段落中的内碎片。

Slab

每个对象存放在各自的cache中，cache映射到slab，slab是在内存上物理连续的页面。每个cache由一个或多个slab组成，slab按照对象的大小来分块。

slab分配器的优点：

• 没有碎片引起的内存浪费
• 可以快速满足内存请求

其他

预调页面

纯请求调页在进程启动时会发生大量缺页错误（因为新的程序找不到任何一个页面），在作为换出进程重新启动时也可能出现类似现象。

预调页面的思想是提前调进所需的页面。在进程换出时，可以保存它当前的工作集，从而在被重启时提前调入相关页面。

有时，预调页面成本不一定小于直接处理缺页错误的成本（比如预调的命中率太低）。

页面大小

页面大小通常是2的幂。

• 小的页面大小会造成页表过大
• 较小的页面可以更好地利用内存
• 最小化IO时间期望较大的页面大小（避免频繁地IO，尽管传输量大，但传输次数少）
• 较小的页面却有可能减少总的IO次数，因为可能更好地精确匹配了程序的局部性
• ……

TLB范围

一个指标TLB范围（TLB Reach）=TLB条数 × 页面大小表示了通过TLB能访问的内存量，该值越大越好。

• 增加TLB的条目数可以提高命中率，但是TLB的成本很高（关联内存）
• 增加页面大小可能造成碎片增加。有的系统采用不同大小的页面，此时需要操作系统而非硬件管理TLB

程序结构

仔细选择数据结构和编程结构可以增加局部性，降低缺页错误率和工作集页面数