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第三章 内存管理2 - 虚拟内存
目录
虚拟内存的定义
基于局部性原理，在程序装入时，将会用到的部分装入内存，暂时不用的部分留在外存，程序就可以执行。在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个 比实际内存大得多 的内存，这就是 虚拟内存。
-
若访问信息不在内存，由操作系统从将信息从外存调入内存。（请求调页）
-
若内存空间不够，将暂时不用的信息换出到外存。（页面置换）
虚拟内存的特征
- 多次性：作业运行无需一次全部装入内存，允许多次调入内存。
- 对换性：作业运行时无需常驻内存，允许在运行过程中换入换出。
- 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，用户看到的内存容量远大于实际容量。
虚拟内存的实现
请求分页存储管理
页表机制
| 页号 | 内存块号 | 状态位 | 访问字段 | 修改位 | 外存地址 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | c | 1 | 0 | 0 | x |
| 1 | b | 1 | 10 | 0 | y |
| 2 | 无 | 0 | 6 | 1 | z |
在基本分页存储管理的基础上，增加了：
- 状态位：表示页面是否已在内存中
- 访问字段：记录最近被访问过几次 / 上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时间时参考
- 修改位：表示页面调入内存后是否被修改过，只有修改过的页面才需要在置换时写回外存
- 外存地址：页面在外存中存放的位置
缺页中断（内中断）
在请求分页系统中，若要访问的页面不在内存，则产生一个 缺页中断，由操作系统的 缺页中断处理程序 处理。
缺页的进程阻塞，放入阻塞队列。调页完成后唤醒，放回就绪队列。
-
将目标页面调入内存，必要时换出页面
-
缺页中断属于内中断中的“故障”，即可能被系统修复的异常
- 一条指令在执行过程中可能产生多次缺页中断，如 copy A to B
地址变换机构
重点关注与基本分页不同的地方：
- 找到页表项时，需要检查是否在内存中
- 若页面不在内存中，需要请求调页
- 若内存空间不够，需要换出页面
- 页面调入内存后，需要修改响应页表项
请求分页中的地址变换过程
页面置换算法
1、最佳置换算法 OPT
每次选择 最长时间不再被访问 的页面淘汰，保证缺页率最低。由于无法预测未来，实际上是无法实现的。
2、先进先出置换算法 FIFO
每次淘汰 最早进入内存 的页面。将页面根据先后顺序排成一个队列，每次淘汰队头页面即可。
① 分配 3 个内存块时，缺页次数 9 次
② 分配 4 个内存块时，缺页次数 10 次
Belady 异常：当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。只有 FIFO 算法会产生 Belady 异常，并没有考虑到金橙世纪运行时规律。算法性能差。
3、最近最久未使用算法 LRU
每次淘汰 最近最久未使用 的页面。性能好，但是开销大。需要硬件支持。
4、时钟置换算法 CLOCK / 最近未使用算法 NRU
- 简单的 clock 算法
用 (访问位) 表示页面状态。0 表示未访问过，1 表示访问过。
算法规则：
- 某页被访问时，访问位置为 1
- 第一轮：如果是 0，则将该页换出；如果是1，则置 0 且暂不换出
- 第二轮：一定能找到访问位为 0 的页面
- 改进的 clock 算法
用 (访问位,修改位) 表示页面状态。0 表示未被访问 / 未被修改过，1 表示被访问 / 修改过。
算法规则：
- 第一轮：从当前位置开始扫描到 第一个 (0,0) 的帧用于替换
- 最近没访问，且没修改的页面
- 第二轮：第一轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,1) 的帧用于替换，同时将 扫描过的访问位改为 0
- 最近没访问，但修改过的页面
- 第三轮：第二轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,0) 的帧用于替换
- 最近访问过，但修改过的页面
- 第四轮：第三轮扫描失败则重新扫描，找 第一个 (0,1) 的帧用于替换
- 最近访问过，且修改过的页面
注：由于第二轮已将所有帧的访问位置 0，因此经过第三、四轮扫描一定会有帧被选中。
请求分段存储管理
暂无
请求段页式存储管理
暂无
页面分配策略
固定分配 / 可变分配
驻留集，指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。根据 驻留集大小是否可变，分为：
- 固定分配：驻留集大小不变。操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块
- 可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当的增加或减少。
局部 / 全局置换
根据 页面置换时的置换范围，分为：
- 局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换。
- 全局置换：可以将空闲物理块分配给缺页进程，也可将别的进程的物理块置换到外存，再分配给缺页进程。
何时调入页面
- 预调页策略：（运行前调入）略主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些部分。
- 请求调页策略：（进程运行期间使用）发现缺页时，才将所缺页面调入内存。
从何处调入页面
-
对换区空间足够
页面的调入、调出都在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。
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对换区空间不足
不会被修改的数据，直接从文件区调入，换出时不写回。
可能被修改的部分，换出时写回磁盘对换区，需要时再从对换区调入。
-
UNIX 方式：运行前，进程数据全部放在文件区。使用过的页面换出到对换区，需要时从对换区调入。
驻留集 / 工作集区别
- 驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合。
- 工作集：指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。
操作系统会根据“窗口尺寸”来算出工作集。例：
某进程的页面访问序列如下，窗口尺寸为4，各时刻的工作集为？
驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页，发生抖动现象。