第五章虚拟存储器

十分详细的虚拟存储器思维导图，包括：虚拟内存的基本概念、请求分页管理方式、请求分段存储管理方式。

虚拟存储器

• 虚拟内存的基本概念
  • 传统存储管理的特征、缺点
    • 一次性：作业数据必须一次全部调入内存
    • 驻留性：作业数据在整个运行期间都会常驻内存
  • 局部性原理
    • 时间局部性：现在访问的指令、数据在不久后可能会被在次访问
    • 空间局部性：现在访问的内存单元周围的内存空间，很可能在不久后会被访问
    • 高速缓存技术：使用频繁的数据放到更高速的存储器中
  • 虚拟内存的定义和特征
    • 程序不需要全部装入即可运行，运行时根据需要动态调入数据，若内存不够，还需要换出一些数据
    • 特征
      • 多次性：无需在作业运行时一次全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
      • 对换性：无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出
      • 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到内存容量远大于实际的容量，其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，运行速度接近内存速度
  • 虚拟内存技术的实现
    • 访问的信息不再内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存（请求调页功能）
    • 内存空间不足时，将内存中暂时用不到的信息换出到外存（页面置换功能）
    • 虚拟内存实现方法
      • 请求分页存储管理
      • 请求分段存储管理
      • 请求段页存储管理
• 请求分页管理方式
  • 页表机制
    • 在基本分页的基础上增加了几个表项
    • 状态位:表示页面是否已在内存中
    • 访问字段：记录最近被访问的次数，或记录本页最近有多长时间未被访问，供置换算法选择换出页面时参考
    • 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在置换时写回内存
    • 外存地址：页面在外存中存放的地址
  • 缺页中断机构
    • 找到页表项后检查页表是否已在内存，若没在内存，产生缺页中断
    • 缺页中断处理中，需要将目标页面调入内存，有必要时还需要换出页面
    • 与一般中断的区别
      • 在指令执行期间产生和处理中断信号；一般CPU是在一条指令执行完后，才检查是否有中断请求到达，若有，便去响应，否则继续执行下一条指令
      • 一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断
  • 地址变换机构
    • 找到页表项检查页面是否在内存
    • 若不在，需要请求页面
    • 若内存空间不够，还需换出页面
    • 换入内存修改相应页表项
  • 页面分配策略
    • 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
    • 页面分配策略
      • 固定分配VS可变分配：区别在于进程运行期间驻留集的大小是可变
      • 局部分配VS全局分配：区别在于发生缺页时是否只能从进程自己的页面选择一个换出
      • 固定分配局部置换：进程运行前就分配一定数量物理块，缺页时只能换出进程自己的某一页
      • 可变分配全局置换：只要缺页就分配新物理块，可能来自空闲物理块，也可能需换出别的进程页面
      • 可变分配局部置换：频繁缺页的进程，多分配物理块，缺页率低的进程回收一些物理块
    • 何时调入页面
      • 预调入策略：一次性调入若干个相邻的页
      • 请求调入策略：进程运行时，发现缺页再调入
    • 从何处调页
      • 对换区：采用连续存储方式，速度快；文件区：采用离散存储方式，速度慢
      • 对换区足够大：运行将数据从文件区复制到对换区，之后所有的页面调入、调出都是在内存与对换区之间进行
      • 对换区不够大：不会修改的数据每次都从文件区调入；会修改的数据调出到对换区，需要时再从对换区调入
      • UNIX方式：第一次使用的页面都从文件区调入；调出的页面都写到对换区，再次使用时从对换区调入
    • 抖动现象
      • 页面频繁换入换出的现象，主要原因是分配给进程的物理块不够
    • 工作集
      • 在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。驻留集大小一般不能小于工作集
  • 页面置换算法
    • 最佳置换算法OPT
      • 每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在长时间内不再被访问，以保证最低缺页率
      • 缺陷：算法性能最好但实际上系统无法提前预判页面访问序列，因此该算法是无法实现
    • 先进先出置换算法FIFO
      • 每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
      • 缺陷：该算法与进程实际运行规律不适应，因为最先进入的页面也可能最常访问，算法性能差
    • 最近最久未使用置换算法LRU
      • 每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面
      • 硬件支持
        • 寄存器
        • 栈
      • 缺陷：虽性能好但实现困难，开销大
    • 时钟置换算法CLOCK
      • 为每页面设置一个访问位，内存页面通过链接指针链接成循环队列，当需要淘汰一个页面时，访问位若为0，则选择该页换出，若1，则将它置为0后，再进行第二轮扫描（最多经过两轮扫描）
      • 性能开销较均匀的算法
    • 改进型时钟置换算法
      • 只有被淘汰的页面被修改过时才需要写回外存，因此在其他条件相同时，应优先淘汰没有被修改的页面
      • 算法规则（最多四次）
        • 第一轮：从当前位置开始扫描到第一个（0,0）的页面用于替换。本轮扫描不修改任何标志位
        • 第二轮：若第一轮失败，则重新扫描，查找第一个（0,1）页面用于替换，并把所有扫描过的页面访问位置为0
        • 第三轮：若失败，重新扫描，查找第一个（0,0）用于替换，不修改任何标志位
        • 第四轮：若失败，重新扫描，查找第一个（0,1）用于替换
• 请求分段存储管理方式
  • 请求段表机制
    • 段名、段长、段基址、存取方式、访问字段、修改位、存在位、增补位、外存始址
  • 缺段中断机构
    • 由于分段是信息的逻辑单位，因而不可能出现一条指令被分割在两个分段中，和一组信息分割在两个分段中的情况
    • 由于段是不定长的，这使得缺段中断的处理要比缺页中断的处理复杂
  • 地址变换机构
    • 要注意
      • 分段越界中断处理
      • 分段保护中断处理
      • 缺段中断处理