第八章 虚拟存储器

缺页率：缺页次数与进程页面总数的比值。
2. 页面置换算法
7 0 0 7 7 1 1 0 7 2 2 1 0 0 0 2 1 3 3 0 2 0 0 3 2 4 4 0 3 2 2 4 0 3 3 2 4 0 0 3 2 3 3 0 2 2 2 3 0 1 1 2 3 2 2 1 3 0 0 2 1 7 0 7 0 2 0 7 2 1 1 7 0

8.2 请求分页的存储器系统
（2）缺页中断机构
产生和处理缺页中断的机构。
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 一条指令执行期间可能产生多次缺页中断 6 5 4 3 2 1
B：
A：
COPY A TO B
8.2 请求分页的存储器系统
地址变换 在基本分页系统的地址变换机构的基础上增加了 产生和处理缺页中断的功能。 过程如图所示：
2. 页面置换算法
最佳置换算法（OPT）
最近未使用置换算法（NRU） 先进先出置换算法（FIFO） 二次机会置换算法 时钟页面置换算法（CLOCK）
最近最久未使用置换算法（LRU）
改进型Clock（近似LRU）算法
2. 页面置换算法
（1）最佳置换算法（OPT） 该算法是Belady在1966年提出的一种理论上的算 法。为保证缺页率最低，选择永久不使用，或在 最长时间内将不再被访问的页面淘汰。 这种算法在实际中一般很难实现。
例：假设分配给某进程的页架数为3，采用请 求调页方式，采用最佳置换算法，求下列页 面执行序列的缺页率。
7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,1,7,0,1
2. 页面置换算法
（2）最近未使用置换算法（NRU） 淘汰最近未使用的页面，而且最好是未被修改的 页面。即淘汰的页面最好是访问位和修改位同 时为零的页面。 为了避免系统中所有的页面的访问位和修改位可 能都为“1”的情况，系统周期性地将主存中页 面的访问位清“0”。
2. 页面置换算法
（3）先进先出置换算法（FIFO） 淘汰页面时，选择最先进入的页面。 缺点：该算法只是在按线性顺序访问地址空间时 才具有较高的效率，否则可能出现抖动现象。 例：假设分配给某进程的页架数为3，采用请求 调页方式，页面置换算法用FIFO，求下列页 面执行序列的缺页率。
7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,1,7,0,1
第八章

虚拟存储器管理
基本概念 请求分页的存储器系统 页面置换算法 请求分段的存储器系统
8.1 基本概念
1.虚拟存储器的引入 （1）局部性原理 时间的局部性 空间的局部性 （2）定义 把作业的一部分装入内存就可运行的存储器系统是虚拟 存储器系统。 虚拟存储器系统是指能从逻辑上对内存容量进行扩充， 并具有请求调入和置换功能的一种存储器系统。
空闲页面链表也称为页缓冲技术。
4.空闲页面链表
特点：
空闲页面链表的规模应适当保持（最大、最小页架数） 空闲链表中的页面并非真正“空闲”，空闲是指可分
配的含义 在进行页面置换时不需移动主存中的页面的内容，只 是把页表目从页表移入页面链表，或相反。 通常由一个专用的进程来负责页面的替换工作
2. 页面置换算法
（6）最近最久未使用（LRU）算法
原理 根据页面在内存中的使用情况，选择最近最久未使用 的页面予以淘汰。即以“最近的过去”预测“最近的将 来”。 硬件LRU法 1）寄存器 需为内存中的每一页配置一移位寄存器，用来记录各页 在内存中的使用情况。假设N位寄存器的表示形式为： R= Rn-1Rn-2Rn-3…R2R1R0
开始
是
页号≥页表长? 保存CPU现场
越界中断
是
否
该页在快表 中？
从外存中找到缺页
否
访问页表
否
读缺页
内存满否？
否
该页在内存否？
是
换页处理
是
修改快表
换缺页入内存
否
该页被修改否？ 修改A和M
修改页表
是
将该页写回外存 形成物理地址
结束
8.2 请求分页的存储器系统
（3）MMU MMU是内核主存管理子系统依赖的低层硬件， 主要任务完成虚地址到物理地址的转换，包括： 管理硬件的页表基址寄存器 将虚地址分为虚页号和页内位移 页面失效处理 设置页表中相应的访问位、修改位、检查有效 位和保护权限
缺页率=13/20=65%
3）矩阵实现的LRU算法（参考教材P185~186） LRU算法虽然能够实现，但需要增加成本和开销。
2. 页面置换算法
（7）改进型Clock（近似LRU）算法 原理 为内存中所有的页面设置一访问位和一修改位，置初 值为0，并将这些页通过指针链接成循环队列。在选择 淘汰页时，尽量选择那些访问位和修改位都0的页面， 如果没有这样的页面，再考虑访问位为0，而修改为1 的页面做为淘汰页。 由访问位A和修改位M组成的页面类型有： 第一类页面：A=0，M=0； 第二类页面：A=0，M=1； 第三类页面：A=1，M=0； 第四类页面：A=1，M=1。
注：虚拟性是以多次性和对换性为基础。
5.1 基本概念
2. 虚拟存储器的实现方法 请求分页的存储器管理系统 请求分段的存储器管理系统 段页式的虚存管理系统 3.虚拟存储器的特征 离散性 多次性：作业被分成多次装入内存。 对换性 虚拟性：从逻辑上扩充内存容量。
5.1 基本概念
2. 页面置换算法
实现原理：当进程访问某物理块时，就将相应寄 存器的Rn-1位置1，各寄存器根据系统时钟， 每隔一定时间右移一位，各寄存器所中表示值 最小的那个页面将是下一个被淘汰的页面。
Rn-1 Rn-2 访问页1 页1 页2 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
1
0
0 0
0 0
3. 工作集
一个进程在t时刻的工作集： w(t, △)={t- △时刻到t时刻之间的页面集合}
1 633789162 3 434344434 43… △ △
t1时刻的工作集w(t1, △) ={1,2,3,6,7,8,9}
t2时刻的工作集w(t2, △) ={3，4}
4.空闲页面链表
原理： 在系统中维持一个空闲页面链表，当运行进程需 要空闲页架时直接从该链表中分配空闲页架给 当前请求的进程，并不断地按照某种页面置换 算法向空闲页面链表中加入可用页面。 空闲页面链表中空闲页面的一般排序是：终止进 程的数据和堆栈页面排在链的最前面，其后是 置换出来的可用页面。
页面淘汰过程
开始
第一次扫描循环队列 扫 描 下 一 个 页 扫 描 下 一 个 页
有A=0，M=0的页面？
有
有A=0，M=1的页面？
有 无
置A=0
无
否
扫描完否？
淘汰该页
完
第二轮扫描循环队列
调入新页结束 扫描完否？
否
完
页面置换算法实现目标：不发生抖动现象，缺页 率正常。
3. 工作集
（1）概念 一个运行进程在t- △到t时间间隔内所访问的页面 集合称为该进程在时间t的工作集，记为w(t, △)。 其中， △为“工作集的窗口尺寸”，工作集中所 包含的页面数称为“工作集尺寸”， 记w(t, △) 为 。 工作集是 t和△的函数：
（3）页面分配方法 平均分配：每个进程分配的物理块数相同 按比例分配：按进程页面数的多少进行分配
s
si
i 1
n
注：m为系统可用物理块数 si为每个进程的页面数 bi为每个进程分配的物理块数
si bi *m s
考虑优先权分配
8.2 请求分页的存储器系统
3.页面调入策略 （1）调入页面的时机
访问页1后右移一位： 页1
0
0 1
0
1
0
0
0
0
淘汰页2
页2 0
0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
1
0
0
0
0
2. 页面置换算法
2）栈实现的LRU法
存放当前使用的各页面的页号。
实现原理：当进程访问某页时，就将该页的页号 从栈底移出压入栈顶，或将新访问的页号压入栈 顶。处于栈底的就是最近最久未使用的页面号。 例：假设某进程的页面引用顺序为：7，0，1，2， 0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1， 7，0，1。假设系统分配给该进程的物理块为3， 并采用请求调页策略，则栈的变化情况如下图所 示：
空闲页面链表的作用： 提高缺页时的系统处理效率，提高进程的执行速 度。
5.交换区
在请求分页的存储器管理系统中，从内存淘汰出来的页面 存放在外存的交换区。 当交换区中的页面再次被访问时，内核页面失效处理函数 从交换区中读出。 为了记录所有被换出页面在交换区中的位置，需要设置一 交换区映射表。（交换区映射表驻留内核主存区） 交换区中一般存放淘汰的数据页面和堆栈页面，进程的正 文页面可以通过文件系统，从执行文件中得到。
2. 页面置换算法
（4）二次机会置换算法 该算法是 FIFO算法的一种改进。淘汰时， 首先检查FIFO链首页面的访问位，如果 为“0”，则立即淘汰，如果为“1”，则 将其移到当前FIFO链的链尾，再检查新 的链首页面，直到找到一个访问为“0” 的链首页面。
2. 页面置换算法
（5）时钟页面置换算法 将二次机会置换算法中的FIFO链组织成一个环 状队列，设一指针指向当前最老的页面。当产 生缺页中断时，如果指针所指向的页面的访问 位为“0”，则淘汰，将新调入的页面插入到指 针指向的位置，指针前移； 如果访问位为“1”，则将其清“0”， 指针前移，直到找到一个访问位 为“0”的页面。
1.请求分页的硬件支持 （1）页表、快表和反向页表
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