操作系统原理虚拟存储管理技术

3）最近最久未使用置换算法（LRU）
选择内存中最久未使用的页面被置换。这是局 部性原理的合理近似，性能接近最佳算法。但 由于需要记录页面使用时间的先后关系，硬件 开销太大。
硬件机构如：
1）计时法
系统为每个页面增设一个计时器，页面被访问时， 当时的绝对时钟内容被复制到对应的计时器中， 这样系统记录了内存所有页面最后一次被访问 的时候，淘汰时，选取计时器中最小的页面淘 汰。
2）先进先出置换算法（FIFO）
选择建立最早的页面被置换。可以通过链表来
表示各页的建立时间先后。性能较差。较早调 入的页往往是经常被访问的页，这些页在FIFO 算法下被反复调入和调出。
• Belady现象：采用FIFO算法时，如果对一个 进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出 现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常 现象。
第八章 虚拟存储管理技术
实存储管理技术要求把进程全部装入内存才能 运行，在运行过程中，会出现两种可能：
1） 要求运行的进程所需的内存空间大于系统 的内存空间，只有部分进程能够装入内存运行， 而其他进程只有留在外存中等待。
2） 逻辑地址空间大于存储空间的进程无法在 系统中运行。
两种解决方案：从物理上增加内存容量或从逻 辑上扩充内存容量（虚拟存储）
一、虚拟存储器的概念
1、局部性原理
局部性原理(principle of locality)：指程 序在执行过程中的一个较短时期，所执 行的指令地址和指令的操作数地址，分 别局限于一定区域。
– 时间局限性
– 空间局限性
局部性原理是实现虚拟存储器的理论 基础。
2 、虚拟存储器
• 在程序装入时，不必将其全部读入到内存， 而只需将当前需要执行的部分页或段读入到内 存，就可让程序开始执行。
在分页式存储管理的基础上，增加了请求调页 功能、页面置换功能而形成的页式虚拟存储系 统。
系统需要解决下面三个问题：
• 1）系统如何获知进程当前所需页面不在主存。 • 2） 当发现缺页时，如何把所缺页面调入主存。
3）当主存中没有空闲的页框时，为了要接受一 个新页，需要把老的一页淘汰出去，根据什么 策略选择欲淘汰的页面。
4、页面调度算法
1）最佳置换算法（OPT）
选择“未来不再使用的”或“在离当前 最远位置上出现的”页面被置换。这是 一种理想情况，是实际执行中无法预知 的，因而不能实现。可用作性能评价的 依据。
假定系统为某进程分配了三个物理块， 并考虑有以下的页面号引用串：
7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3， 2，1，2，0，1，7，0，1
1、请求分页式存储管理的基本概念
1）基本原理
运行前将一部分页面装入内存，另外一部分页 面则装入外存。在程序运行过程中，如果所访 问的页面不再内存中，则发生缺页中断，操作 系统进行页面动态调度：
a） 找到被访问页面在外存中的地址。
b） 在内存中找一个空闲块，如果没有，则按 照淘汰算法选择一个内存块，将此块内容写回 外存，修改页表。
所谓虚拟存储器，就是仅把进程的一部分装入 内存便可运行的存储器系统，它具有请求调入 功能和置换功能，是能从逻辑上对内存容量进 行扩充的一种存储器系统。
虚拟存储器的逻辑容量由系统的寻址能力和外 存容量之和所决定。
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；
• 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访 问的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则 由处理器通知操作系统将相应的页或段调入到 内存，然后继续执行程序。
• 另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的 页或段调出保存在外存上，从而腾出空间存放 将要装入的程序以及将要调入的页或段。只需 程序的一部分在内存就可执行。
2）堆栈法
按照页面最后一次访问的时间次序依次排列到堆 栈中。进程访问某一页时，其对应的页面号由 栈内取出压入栈顶，因此，栈顶始终是最新被 访问页面的页面号，栈底则是最近最久没有使 用的页面号。
4）最近未使用置换算法（NRU）
近似于LRU算法，不但希望淘汰最近未使 用的页面，还希望被挑选的页面在内存 驻留期间，其页面内容没有给修改过， 因此增加两个硬件位：访问位和修改位。 0和1，0表示未访问或未修改。
• Belady现象的描述：一个进程P要访问M个页， OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序 列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时， PE(S, N)时而增大，时而减小。
• Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与 进程访问内存的动态特征是矛盾的，即被置换 的页面并不是进程不会访问的。
c）修改为M：纪录该页面在调入内存后是否被修 改过。
d）外存地址：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。
3）地址变换机构 图8-2
2、内存分配策略 1）内存页面分配策略 a）平均分配 b）按进程大小比例分配
c） 按进程优先级比例分配 d）按进程长度和优先级比例分配
2）外存块的分配策略
虚拟性：能从逻辑上扩充内存容量，是用户“看 到”的内存容量远大于实际大小。
该特征是以上两个特征为基础的。
二、请求分页式存储管理方式
请求式分页也称虚拟页式存储管理，与 纯分页存储管理不同，请求式分页管理 系统在进程开始运行之前，不是装入全 部页面，而是装入一个或零个页面，之 后根据进程运行的需要，动态源自文库入其它 页面；当内存空间已满，而又需要装入 新的页面时，则根据某种算法淘汰某个 页面，以便装入新的页面。
c） 读入所需得页面，修改页表。
d） 重新启动进程，执行被中断的指令。
2）页表机制
页表中除了页号和物理块，增加若干项，以完 成调入功能和置换功能
a）状态位P：指示该页是否已经调入内存，0表 示该页已在内存，1表示该页不再内存。
b）访问位A：纪录该页在一段时间内被访问的次 数，或最近已经有多少时间没有访问，供置换 算法选择页面时参考。
a) 静态分配：一个进程在运行前，将所有 页面全部装入外存。当一个外存页面被 调入内存，所占用的外存页面不释放。
b) 动态分配：一个进程运行前，仅将没有 装入内存的部分装入外存，当某页面被 调入内存时，释放所占用的外存空间。
3、页面调入时机 1）请求调页策略 发生缺页中断时进行页面调度 2）预调页策略 每次调入若干个页面