os操作系统Chapter 06-2

6.5.1.2 内存页面分配策略
1. 平均分配 如内存128页，进程25个，每个进程5个页面 2. 按进程长度比例分配 pi共si个页面；S=Σsi；内存共m个页面 ai=(si/S)×m 3. 按进程优先级比例分配 4. 按进程长度和优先级别比例分配
6.5.1.3 外存块的分配策略
1. 静态分配 外存保持进程的全部页面。 优点：速度快--淘汰时不必写回(未修改情况) 缺点：外存浪费 2. 动态分配 外存仅保持进程不在内存的页面。 优点：节省外存 缺点：速度慢--淘汰时必须写回
4．最近未使用置换算法（NRU算法） ．最近未使用置换算法（NRU算法） —— LRU近似算法 LRU近似算法
这种算法，只要在存储分块表（或页表）中 设一个“引用位”，当存储分块表中的某一页被 访问时，该位由硬件自动置1，并由页面管理软件 周期性把所有引用位置0。这样，在一个时间周期 T内，某些被访问过的页面其引用位为1，而未被 访问过的页面其引用位为0。因此，可根据引用位 的状态来判别各页面最近的使用情况。当需要置 换一页面时，选择其引用位为0的页，如图1所示 的算法 。图2是这种近似算法的一个例子。
页式
– 内存一页对应外存一块。
段式
– 每段占外存若干连续块，多个段之间在外存可以不
连续。
段页式
– 内存一页，外存一块。 – 一个进程段中包含多个页，一个进程对应多个段。
6.5 虚拟存储器的基本概念
一、虚拟存储器的引入 1.常规存储器管理方式的特征 （1）一次性。作业在运行前需一次性的全部装入内存。 （2）驻留性。作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直 到作业运行结束。 2.局部性原理 1968年P.Denning指出：程序在执行时将呈现出局部 性规律，即在一较短时间内，程序的执行仅限于某个部 分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。 3.虚拟存储器的定义 利用操作系统提供的请求调页功能，将程序的一部分调 入内存，使程序可以继续运行，从用户角度看，该系统 所具有的内存容量比实际的内存容量大得多，这只是用 户的一种感觉，是虚的，这样的存储器称为虚拟存储器。
练习：页面走向1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5可用内存块 数：3；缺页中断次数?最后内存状态？源自先进先出算法存储分块表构造
3．最久未使用页面置换算法（LRU算 ．最久未使用页面置换算法（LRU算 法）
这种算法的基本思想是，如果某一页被访 问了，那么它很可能马上又被访问；反之，如果 某一页很长时间没有被访问，那么最近也不太可 能会被访问。这种算法考虑了程序设计的局部性 原理。其实质是，当需要置换一页时，选择在最 近一段时间最久未使用的页面予以淘汰。 实现这种算法可通过周期性地对“引用位” 进行检查，并利用它来记录一页面自上次被访问 以来所经历的时间t，淘汰时选择t最大的页面。
这种算法的基本思想是：总是先淘汰 那些驻留在内存时间最长的页面，即先进 入内存的页面先被置换掉。理由是：最先 进入内存的页面不再被访问的可能性最大。 算法优劣的评价，可通过在一个特定 的存储访问序列上运行它，并计算缺页数 量来实现。 存储访问序列也叫页面走向。
先进先出算法（FIFO算法） 先进先出算法（FIFO算法）
具体步骤： 找到被访问页面在外存的地址 在内存中找一个空闲页架
– 如果没有，按照淘汰算法选择一个内存页架； – 将此内存页面写回外存，修改页表及页面分
配表
读入所需的页面，修改页表及页架分配 表 重新启动进程，执行被中断的指令
缺页中断机构
在请求分页系统中，每当所要访问的页 面不在内存时，便要产生一缺页中断， 请求操作系统将所缺之页调入内存。 缺页中断作为中断的一种，也要经历保 护现场、分析中断原因、转入缺页中断 处理程序进行处理、恢复现场等几个步 骤。它与一般的中断有着明显的区别。
缺页中断与一般中断的区别
在指令执行期间产生和处理中断信号。通常 CPU都是在一条指令执行完后去检查是否有中 断请求到达，若有，便去响应，否则，执行下 一条指令。然而，缺页中断是在指令执行期间， 发现所要访问的指令或数据不在内存时产生和 处理的。 一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。 系统中的硬件机构应能保存多次中断时的状态， 并保证最后能返回到中断前产生缺页中断的指 令处，继续执行。
地址映射机构
如果在快表中未找到该页的页表项，则应在到 内存中去查找页表，再从找到的页表项中的访 问权限，来了解该页是否已调入内存。其结果 有两种情况：
– 该页已调入内存，这时应将此页的页表项写入快表，
当快表已满时，应先调出按某种算法所确定的页的 页表项，然后再写入该页的页表项。 – 该页尚未调入内存，这时便应产生缺页中断，请求 操作系统从外存中把该页调入内存。
5. 最不经常使用的先淘汰(LFU) 淘汰使用次数最少的。 依据: actively used page should have a larger reference count. Suffer: (1) 前期使用多，但以后不用，难换出； (2) 刚调入的页面，引用少，被换出可能大。 实现：记数器，调入清0，访问增1，淘汰选取最小者。
3.最久未使用页面置换算法（LRU算法） 3.最久未使用页面置换算法（LRU算法） 在最近一段时间最久未使用的页面
7 0 1 7 7 7 0 0 1 2 0 3 0 4 2 3 2 2 最先进入的 4 4 4 0 0 0 0 3 1 3 3 2 2 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1 0 1 1 1 3 3 0 0 2 2 2 7
地址映射机构
虚拟分页系统中的地址映射机构，是在分页系 统的地址映射机构的基础上，再为实现虚拟存 储器而增加了某些新的功能所形成的，如产生 和处理缺页中断，以及从内存中换出一页的功 能等等。 在进行地址映射时，首先去检索快表，试图从 快表中找出所要访问的页。若找到，便修改页 表项中的访问位。对于写指令，还须将修改标 志置成1，然后利用页表项中给出的物理块号 和页内地址，形成物理地址，地址映射过程到 此结束。
为了帮助操作系统对要置换出内存的 页面进行选择，在页表中还可以增加 一个引用位，以反映该页最近的使用 情况。 一般来说，一个页表的表目通常可包 括如下的数据内容： 物理 外存 访问 内外 修改 页号 块号 块号 权限 标志 标志
对页表的改进： 逻辑页号 … p ... 页架号 外存页号 内外标识 访问权限 修改标志 ... f ... ... p’ ... … (0,1) … ... {r,w,e} ... ... (0,1) ...
1．最佳算法（OPT算法） ．最佳算法（OPT算法）
最理想的页面置换算法是：从内存中 移出以后不再使用的页面；如无这样的页 面，则选择以后最长时间内不需要访问的 页。这就是最优算法的思想。 这种算法本身不是一种实际的方法， 因为页面访问的顺序是很难预知的。但是， 可把它作为一种评价标准，比较其他实用 方法的优劣，所以，最优算法只具有理论 上的意义。
最优算法（OPT算法） 最优算法（OPT算法）
以后不再使用的 以后最长时间内不需要访问的
7 0 1 7 7 7 0 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1 2 2 2 2 2 7 0 0 4 0 0 0 1 3 3 3 1 1
2．先进先出算法（FIFO算法） ．先进先出算法（FIFO算法）
页面走向：7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0， 3，2，1，2，0，1，7，0，1；可用内存块数：3。
7 0 1 7 7 7 0 0 1 2 0 3 0 4 2 2 2 4 0 → 3 3 3 1 1 0 0 2 4 2 0 3 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1 0 0 0 7 7 7 2 1 1 1 0 0 3 3 2 2 2 1
6.5.1.4 页面调入时机
1.预调(prepaging) 将那些预计在不久以后便会被访问的程序或数据所在 的页面，预先调入内存。 预调必须辅以请调。 2.请调(demand paging) 发生缺页中断时，立即提出请求，由系统将其所需页面 调入内存。 优点：易于实现 缺点：系统开销大，增加了磁盘I/O的启动频率。
6.5.1.5 页面置换算法
1．最佳置换算法（OPT算法） 2．先进先出置换算法（FIFO算法） 3．最近最久未使用页面置换算法（LRU 算法） 4．最近不用的先淘汰置换算法(NUR) 5. 最 不 经 常 使 用 者 先 淘 汰 置 换 算 法 (LFU) 6.使用最频繁者先淘汰置换算法(MFU)
对快表的改进： 逻辑页号 页架号 ... p ... ... f ... 访问权限 修改标志 … {r,w,e} … ... (0,1) ...
各字段说明
外存块号，用于指出该页在外存上的地址，通常是物 理块号，供调入该页时使用 访问权限，又称为状态位，用于指示当前页面是否已 调入内存。若为1说明该页在内存中，为0说明在外存 上，供程序访问时参考 内外标志，又称为访问字段，用于记录本页在一段时 间内被访问的次数，或最近已有多长时间未被访问， 提供给置换算法选择换出页面时参考。 修改标志，又称修改位。表示该页在调入内存后是否 被修改过。由于内存中的每一页都在外存上保留一份 副本，因此若未修改，在置换该页时就不需要将该页 写回到外存上，以减少系统得开销和启动磁盘的次数； 若已被修改，则必须将该页重写到外存上，以保证外 存中所保留的始终是最新的副本
逻辑地址 无登记 查快表 有登记
缺 页 中 断 程 序 处 理 过 程
在辅存 查页表 发缺页中断
在主存 形成绝对地址 登记入快表 继续执行指令 硬件 操作系统 无
保护现场 主存有空闲块 有 装入所需页面 未修改 调整页表和 主存分配表 恢复现场 重新执行 被中断指令
选择调出页面 该页是否修改 已修改 把该页写回 辅存相应位置
虚拟存储器的实现方法
1.虚拟页式存储管理系统 允许只装入部分页面的程序便启动运行，以后再通过调 页功能及页面置换功能，陆续的把即将要运行的页面调 入内存，同时把暂不运行的页面调出到外存。 2.虚拟段式存储管理系统 允许只装入若干段的用户程序和数据即可启动运行，以 后再通过调段功能和段的置换功能，将暂不运行的段调 出，同时调入即将运行的段。 3.虚拟段页式存储管理系统