傳統(tǒng)存儲管理方式的不足

• 一次性：作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運行。這會造成：當(dāng)作也很大時不能全部裝入內(nèi)存；當(dāng)大量作業(yè)要求運行時，由于內(nèi)存無法容納所有作業(yè)，因此只有少量作業(yè)能夠運行，導(dǎo)致多道程序并發(fā)度下降
• 駐留性：一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直留駐在內(nèi)存中，直至作業(yè)運行結(jié)束。導(dǎo)致內(nèi)存中駐留大量的、暫時用不到的數(shù)據(jù)，浪費了寶貴的內(nèi)存資源。

局部性原理

• 時間局部性：如果執(zhí)行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很可能再次執(zhí)行；如果某個數(shù)據(jù)被訪問過，那么這個數(shù)據(jù)很可能再次被訪問
• 空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也很有可能被訪問。

高速緩沖技術(shù)的思想：將近期會頻繁訪問到的數(shù)據(jù)放到更告訴的存儲器中，暫時用不到的數(shù)據(jù)放在更低速存儲器中。

快表機(jī)構(gòu)就是將近期長訪問的頁表項副本放到更高速的聯(lián)想寄存器中。

虛擬內(nèi)存

由于局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快用到的部分裝入內(nèi)存，暫時用不到的部分留在外存，就可以讓程序開始執(zhí)行。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出外存。

在操作系統(tǒng)的管理下，在用戶看來似乎有一個比實際內(nèi)存大得多的內(nèi)存，這就是虛擬內(nèi)存。（操作系統(tǒng)虛擬性的體現(xiàn)）

虛擬內(nèi)存的最大容量是由計算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)（CPU尋址范圍）確定的
虛擬內(nèi)存的實際容量=min(內(nèi)存和外存容量之和，CPU尋址范圍)

主要特征：

• 多次性：允許多次裝入
• 對換性：允許作業(yè)運行過程中將作業(yè)換入換出
• 虛擬性：使得用戶看到的內(nèi)存容量大于實際容量

主要區(qū)別：如果訪問的信息不再內(nèi)存時，有操作系統(tǒng)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存（請求調(diào)頁/段）
如果內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將內(nèi)存中暫時用不到的信息換到外存（頁面/段置換）

請求分頁管理方式

請求調(diào)頁：操作系統(tǒng)需要知道每個頁面是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存；如果沒有調(diào)入，需要知道該頁面在外存存放的位置
頁面置換：根據(jù)某些指標(biāo)來決定換出哪些頁面，有的頁面沒有被修改過，就不用再浪費時間寫回外存。有的頁面修改過，就需要將外存中就數(shù)據(jù)覆蓋，因此操作系統(tǒng)需要記錄各個頁面是否被修改的信息。

缺頁中斷機(jī)構(gòu)

在請求分頁系統(tǒng)中，每當(dāng)要訪問的頁面不再內(nèi)存時，便產(chǎn)生一個缺頁中斷，然后由操作系統(tǒng)的缺頁中斷處理程序處理中斷。此時缺頁的進(jìn)程阻塞，放入阻塞隊列，調(diào)頁完成后再將其喚醒，放回就緒隊列。

如果內(nèi)存中有空閑塊，則為進(jìn)程分配一個空閑塊，將所缺頁面裝入該塊，并修改頁表中相應(yīng)的頁表項。
如果內(nèi)存中沒有空閑塊，則由頁面置換算法選擇一個頁面淘汰，若該頁面在內(nèi)存期間被修改過，則要將其寫回外存。未修改過的頁面不用寫回外存。

缺頁中斷是因為當(dāng)前執(zhí)行的指令想要訪問的目標(biāo)頁面未調(diào)入內(nèi)存而產(chǎn)生的，因此屬于內(nèi)中斷。
一條指令在執(zhí)行期間可能產(chǎn)生多次缺頁中斷

地址變換

請求分頁存儲管理與基本分頁存儲管理的區(qū)別：
新增步驟1：請求調(diào)頁（查到頁表項時進(jìn)行判斷）
新增步驟2：頁面置換（需要調(diào)入頁面，但沒有空閑內(nèi)存塊時）
新增步驟3：需要修改請求頁表中新增的表項

• 只有寫指令才需要修改修改位。并且，一般來說只需要修改快表中的數(shù)據(jù)，只有要將快表想刪除時才需要寫回內(nèi)存中的慢表，這樣就可以減少訪存次數(shù)。
• 和普通的中斷處理一樣，卻也中斷處理依然需要保留CPU現(xiàn)場
• 頁面換入/換出都要啟動慢速的I/O操作
• 頁面調(diào)入內(nèi)存后，需要修改慢表，同時也需要將表項復(fù)制到快表中

頁面置換算法

最佳置換算法(OPT)

每次選擇淘汰的頁面將時以后永不使用或者在最長時間內(nèi)不再被訪問的頁面，這樣可以保證最低的缺頁率。
注意：缺頁時未必發(fā)生頁面置換，若還有可用的空閑內(nèi)存塊，就不用進(jìn)行頁面置換
缺頁率=缺頁中斷次數(shù)/頁面訪問次數(shù)
只有沒有空閑內(nèi)存塊的缺頁中斷才需要頁面置換
理想化算法，實際無法實現(xiàn)

先進(jìn)先出置換算法(FIFO)

每次選擇淘汰的頁面是最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面
把調(diào)入內(nèi)存的頁面根據(jù)調(diào)入的先后順序排成一個隊列，需要換出頁面時選擇隊頭，將新頁面放入隊尾
Belady異常：當(dāng)為進(jìn)程分配的物理塊數(shù)增大時，缺頁次數(shù)不減反增的異常現(xiàn)象。
只有FIFO算法會產(chǎn)生Belady異常。

最近最久未使用置換算法(LRU)

每次淘汰的頁面是最近最久未使用的頁面
實現(xiàn)方法：在每個頁面對應(yīng)的頁表項中，用訪問字段記錄該頁面自從上次被訪問以來經(jīng)歷的時間t，當(dāng)需要 淘汰一個頁面時，選擇現(xiàn)有頁面中t中最大的，即最近最久未使用的頁面

算法性能好，實現(xiàn)困難，開銷大
性能最接近OPT

時鐘置換算法(CLOCK)

是一種性能和開銷較均衡的算法，又稱作CLOCK算法，或最近未使用算法(NRU not recently used)

簡單CLOCK算法實現(xiàn)：為每個頁面設(shè)置一個訪問位（1，表示最近訪問，0，表示最近沒有訪問），再講內(nèi)存中的頁面都通過鏈接指針鏈接成一個循環(huán)隊列。當(dāng)某頁被訪問時，其訪問位置為1。當(dāng)需要淘汰一個頁面時，只需要檢查頁的訪問位，如果時0，就將該頁換出；如果是1，則將它置為0，暫不換出，繼續(xù)檢查下一個頁面。若第一輪掃面中所有頁面都是1，則將這些頁面的訪問位依次置為0后再進(jìn)行第二次掃描。

簡單CLOCK算法選擇一個淘汰頁面最多會經(jīng)過兩次掃描。

改進(jìn)型的時鐘置換算法：簡單時鐘置換算法僅僅考慮一個頁面最近是否被訪問，事實上，如果被淘汰的頁面沒有被修改過，就不需要執(zhí)行I/O操作寫回外存。只有被淘汰的頁面被修改過時才需要寫回外存。
因此考慮一個頁面最近有沒有被訪問過之外，操作系統(tǒng)還應(yīng)該考慮頁面有沒有被修改過。在其他條件都相同時，應(yīng)優(yōu)先淘汰沒有修改過的頁面，避免I/O操作。
實現(xiàn)：設(shè)置修改位，0表示沒有被修改，1表示被修改。
（訪問位，修改位）
算法規(guī)則：
將所有可能被置換的頁面排成一個循環(huán)隊列

從當(dāng)前位置開始掃描第一個（0，0）的幀用于替換，不修改任何標(biāo)志位

如果第一輪掃描失敗，則重新掃描。查找第一個(0,1)的幀用于替換，本輪將所有掃描過的幀訪問位設(shè)為0

如果第二輪掃描失敗，則重新掃描，查找第一個(0,0)的幀用于替換，本輪掃描不修改任何標(biāo)志位

若第三輪掃描失敗，則重新掃描，找到第一個(0,1)的幀用于替換。

由于第二輪已經(jīng)將所有幀的訪問位設(shè)置為0，因此經(jīng)過第三輪第四輪掃描一定會有一個幀被選中，因此改進(jìn)型CLOCK置換算法選擇一個淘汰頁面最多會進(jìn)行四次掃描

頁面分配置換策略

駐留集：請求分頁管理中給進(jìn)程分配的物理塊的集合
在采用了虛擬存儲的系統(tǒng)中，駐留集大小一般小于進(jìn)程的總大小
如果駐留集太小，則會頻繁缺頁，系統(tǒng)要花大量的時間處理缺頁，實際用于進(jìn)程推進(jìn)的時間很少
駐留集太大，會導(dǎo)致多道程序并發(fā)度下降，資源利用率降低。

• 固定分配：操作系統(tǒng)為每個進(jìn)程分配一組固定數(shù)目的物理塊，在進(jìn)程運行期間不再改變。

• 可變分配：纖維每個進(jìn)程分配一定數(shù)目的物理塊，在進(jìn)程運行期間可根據(jù)情況做適當(dāng)?shù)脑黾踊蛘邷p少，即，駐留集大小可變

• 局部置換：發(fā)生缺頁時只能選進(jìn)程自己的物理塊進(jìn)行置換

• 全局置換：可以將操作系統(tǒng)保留的空閑物理塊分配給卻也進(jìn)程，也可以將別的進(jìn)程持有的物理塊置換到外存，再分缺頁進(jìn)程。
  

• 固定分配局部置換：缺點：很難在剛開始就確定為每個進(jìn)程分配多少個物理塊才算合適。采用這種策略的系統(tǒng)一般會根據(jù)一定的參數(shù)確定內(nèi)存塊

• 可變分配全局置換：只要某進(jìn)程發(fā)生缺頁，都能獲得新的物理塊，僅當(dāng)空閑物理塊用完時，系統(tǒng)才選擇一個未鎖定的頁面調(diào)出。被選擇調(diào)出的頁面可能是系統(tǒng)中任何一個進(jìn)程中的頁，因此這個被選中的進(jìn)程擁有的物理塊會減少，缺頁率會增加。
  系統(tǒng)會鎖定一些頁面，這些頁面中的內(nèi)容不能置換出去。

• 可變分配局部置換：如果進(jìn)程在運行中頻繁地?fù)Q頁，系統(tǒng)回味該進(jìn)程多分配幾個物理塊，直至該進(jìn)程缺頁率趨勢適當(dāng)程度。反之，如果進(jìn)程在運行時缺頁率特別低，可適當(dāng)減少分配給該進(jìn)程的內(nèi)存塊。

可變分配全局置換：只要就分配新物理塊
可變分配局部置換：根據(jù)缺頁率動態(tài)增加或者減少物理塊

調(diào)入頁面

時間

• 預(yù)調(diào)頁策略：根據(jù)局部性原理，一次調(diào)入若干個相鄰的頁面可能比一次調(diào)入一個頁面更加高效。預(yù)測不久之后可能要訪問的頁面，將他們預(yù)先調(diào)入內(nèi)存。預(yù)測成功率只有50%。這種策略主要用于進(jìn)程的首次進(jìn)入。
• 請求調(diào)頁策略：進(jìn)程在運行期間發(fā)現(xiàn)缺頁才將所缺頁面調(diào)入內(nèi)存。這種策略調(diào)入的頁面一定會被訪問到。但是每次都只能調(diào)入一頁，而每次調(diào)頁都要磁盤I/O操作，因此I/O開銷較大

地點

• 如果系統(tǒng)擁有足夠的調(diào)換去空間，頁面的調(diào)入調(diào)出都是內(nèi)存與對換區(qū)之間進(jìn)行的，這樣可以保證頁面的調(diào)入調(diào)出速度很快。在進(jìn)程運行前，需要講進(jìn)程相關(guān)的數(shù)據(jù)從內(nèi)存區(qū)復(fù)制到對換區(qū)。
• 如果系統(tǒng)缺少足夠的對換區(qū)空間：凡是不會被修改的數(shù)據(jù)都直接從文件區(qū)調(diào)入，由于這些頁面不會被修改，因此換出時不需要寫回磁盤，下次需要時再從文件區(qū)調(diào)入即可。對于可能被修改的部分，換出時需要寫回磁盤對換區(qū)，下次需要時再從對換區(qū)調(diào)入。
• UNIX:運行之前進(jìn)程有關(guān)的數(shù)據(jù)全部放在文件區(qū)，故未使用過的頁面都可以從文件區(qū)調(diào)入。若被使用過的頁面需要換出，則寫回對換區(qū)，下次需要時再從對換區(qū)調(diào)入。

抖動（顛簸）現(xiàn)象

抖動現(xiàn)象是指在更換頁面時，如果被更換的頁面是一個很快再次訪問的頁面，則會頻繁地發(fā)生頁面調(diào)度，以至于調(diào)度頁面所需時間過長，系統(tǒng)效率急劇下降的現(xiàn)象。

解決策略：

• 有針對性地選擇更優(yōu)秀的頁面置換算法以減少頁面替換策略失誤
• 掛起低優(yōu)先級的進(jìn)程，減少多道程序數(shù)量使得能夠增大駐留集，讓進(jìn)程擁有更多的內(nèi)存塊
• 給進(jìn)程分配合適大小的內(nèi)存塊。為了解決給進(jìn)程分配多少個內(nèi)存塊比較合適，可以使用Denning提出的 “工作集”的概念進(jìn)行解決。首先操作系統(tǒng)根據(jù)窗口尺寸統(tǒng)計工作集的大小，然后讓駐留集的大小大于等于工作集的大小即可。與之相關(guān)的我們可以每次選擇一個不再工作集中的頁面進(jìn)行淘汰。
• 使用L=S準(zhǔn)則調(diào)節(jié)缺頁率，讓程序最大可能地并發(fā)處理，提高磁盤和處理機(jī)的利用率。

工作集

工作集：在某段時間間隔內(nèi)，進(jìn)程實際訪問頁面的集合
駐留集：請求分頁存儲管理中給進(jìn)程分配的內(nèi)存塊的集合

一般來說駐留集的大小不能小于工作集的大小，否則進(jìn)程運行過程中將會頻繁缺頁

拓展：基于局部性原理可知，進(jìn)程在一段時間內(nèi)訪問的頁面與不久之后訪問的頁面是有相關(guān)性的。因此可以根據(jù)近期訪問的頁面集合來設(shè)計頁面置換算法：選擇一個不再工作集中的頁面進(jìn)行淘汰

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统【六】虚拟内存的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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