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第三章 內存管理2 - 虛擬內存

目錄

• 第三章 內存管理2 - 虛擬內存
• • • 虛擬內存的定義
    • 虛擬內存的特征
  • 虛擬內存的實現
  • • 請求分頁存儲管理
    • • 頁表機制
      • 缺頁中斷（內中斷）
      • 地址變換機構
      • 請求分頁中的地址變換過程
      • 頁面置換算法
      • • 1、最佳置換算法 OPT
        • 2、先進先出置換算法 FIFO
        • 3、最近最久未使用算法 LRU
        • 4、時鐘置換算法 CLOCK / 最近未使用算法 NRU
    • 請求分段存儲管理
    • 請求段頁式存儲管理
  • 頁面分配策略
  • • • 固定分配 / 可變分配
      • 局部 / 全局置換
      • 何時調入頁面
      • 從何處調入頁面
      • 駐留集 / 工作集區別

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虛擬內存的定義

基于局部性原理，在程序裝入時，將會用到的部分裝入內存，暫時不用的部分留在外存，程序就可以執行。在操作系統的管理下，在用戶看來似乎有一個 比實際內存大得多 的內存，這就是 虛擬內存。

• 若訪問信息不在內存，由操作系統從將信息從外存調入內存。（請求調頁）

• 若內存空間不夠，將暫時不用的信息換出到外存。（頁面置換）

虛擬內存的特征

多次性：作業運行無需一次全部裝入內存，允許多次調入內存。

對換性：作業運行時無需常駐內存，允許在運行過程中換入換出。

虛擬性：從邏輯上擴充了內存的容量，用戶看到的內存容量遠大于實際容量。

虛擬內存的實現

請求分頁存儲管理

頁表機制

頁號內存塊號狀態位訪問字段修改位外存地址

0	c	1	0	0	x
1	b	1	10	0	y
2	無	0	6	1	z

在基本分頁存儲管理的基礎上，增加了：

• 狀態位：表示頁面是否已在內存中
• 訪問字段：記錄最近被訪問過幾次 / 上次訪問的時間，供置換算法選擇換出頁面時間時參考
• 修改位：表示頁面調入內存后是否被修改過，只有修改過的頁面才需要在置換時寫回外存
• 外存地址：頁面在外存中存放的位置

缺頁中斷（內中斷）

在請求分頁系統中，若要訪問的頁面不在內存，則產生一個 缺頁中斷，由操作系統的 缺頁中斷處理程序 處理。

缺頁的進程阻塞，放入阻塞隊列。調頁完成后喚醒，放回就緒隊列。

• 將目標頁面調入內存，必要時換出頁面

• 缺頁中斷屬于內中斷中的“故障”，即可能被系統修復的異常

• 一條指令在執行過程中可能產生多次缺頁中斷，如 copy A to B

地址變換機構

重點關注與基本分頁不同的地方：

• 找到頁表項時，需要檢查是否在內存中
• 若頁面不在內存中，需要請求調頁
• 若內存空間不夠，需要換出頁面
• 頁面調入內存后，需要修改響應頁表項

請求分頁中的地址變換過程

頁面置換算法

1、最佳置換算法 OPT

每次選擇 最長時間不再被訪問 的頁面淘汰，保證缺頁率最低。由于無法預測未來，實際上是無法實現的。

2、先進先出置換算法 FIFO

每次淘汰 最早進入內存 的頁面。將頁面根據先后順序排成一個隊列，每次淘汰隊頭頁面即可。

① 分配 3 個內存塊時，缺頁次數 9 次

② 分配 4 個內存塊時，缺頁次數 10 次

Belady 異常：當為進程分配的物理塊數增大時，缺頁次數不減反增的異常現象。只有 FIFO 算法會產生 Belady 異常，并沒有考慮到金橙世紀運行時規律。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 的頁面。性能好，但是開銷大。需要硬件支持。

4、時鐘置換算法 CLOCK / 最近未使用算法 NRU

簡單的 clock 算法

用 (訪問位) 表示頁面狀態。0 表示未訪問過，1 表示訪問過。

算法規則：

• 某頁被訪問時，訪問位置為 1
• 第一輪：如果是 0，則將該頁換出；如果是1，則置 0 且暫不換出
• 第二輪：一定能找到訪問位為 0 的頁面

改進的 clock 算法

用 (訪問位,修改位) 表示頁面狀態。0 表示未被訪問 / 未被修改過，1 表示被訪問 / 修改過。

算法規則：

• 第一輪：從當前位置開始掃描到 第一個 (0,0) 的幀用于替換
  • 最近沒訪問，且沒修改的頁面
• 第二輪：第一輪掃描失敗則重新掃描，找 第一個 (0,1) 的幀用于替換，同時將 掃描過的訪問位改為 0
  • 最近沒訪問，但修改過的頁面
• 第三輪：第二輪掃描失敗則重新掃描，找 第一個 (0,0) 的幀用于替換
  • 最近訪問過，但修改過的頁面
• 第四輪：第三輪掃描失敗則重新掃描，找 第一個 (0,1) 的幀用于替換
  • 最近訪問過，且修改過的頁面

注：由于第二輪已將所有幀的訪問位置 0，因此經過第三、四輪掃描一定會有幀被選中。

請求分段存儲管理

暫無

請求段頁式存儲管理

暫無

頁面分配策略

固定分配 / 可變分配

駐留集，指請求分頁存儲管理中給進程分配的物理塊的集合。根據 駐留集大小是否可變，分為：

• 固定分配：駐留集大小不變。操作系統為每個進程分配一組固定數目的物理塊
• 可變分配：先為每個進程分配一定數目的物理塊，在進程運行期間，可根據情況做適當的增加或減少。

局部 / 全局置換

根據 頁面置換時的置換范圍，分為：

• 局部置換：發生缺頁時只能選進程自己的物理塊進行置換。
• 全局置換：可以將空閑物理塊分配給缺頁進程，也可將別的進程的物理塊置換到外存，再分配給缺頁進程。

何時調入頁面

• 預調頁策略：（運行前調入）略主要用于進程的首次調入，由程序員指出應該先調入哪些部分。
• 請求調頁策略：（進程運行期間使用）發現缺頁時，才將所缺頁面調入內存。

從何處調入頁面

對換區空間足夠

頁面的調入、調出都在內存與對換區之間進行，這樣可以保證頁面的調入、調出速度很快。在進程運行前，需將進程相關的數據從文件區復制到對換區。

對換區空間不足

不會被修改的數據，直接從文件區調入，換出時不寫回。

可能被修改的部分，換出時寫回磁盤對換區，需要時再從對換區調入。

UNIX 方式：運行前，進程數據全部放在文件區。使用過的頁面換出到對換區，需要時從對換區調入。

駐留集 / 工作集區別

• 駐留集：指請求分頁存儲管理中給進程分配的內存塊的集合。
• 工作集：指在某段時間間隔里，進程實際訪問頁面的集合。

操作系統會根據“窗口尺寸”來算出工作集。例：

某進程的頁面訪問序列如下，窗口尺寸為4，各時刻的工作集為？

駐留集大小不能小于工作集大小，否則進程運行過程中將頻繁缺頁，發生抖動現象。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第三章 内存管理2 - 详解虚拟内存，页面置换算法，页面分配策略的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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