虚拟存储器与请求分页系统详解_请求分页系统的原理

4.5 虚拟存储器的基本概念

• 一、虚拟存储器的引入
• 二、虚拟存储器的实现方法
• 三、虚拟存储器的特征

一、虚拟存储器的引入

1、常规存储器管理方式的特征

 一次性：作业在运行前一次性地全部装入内存
 驻留性：作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直至作业运行结束
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问题：一次性及驻留性在程序运行时是否是必须的？

2、程序运行的局部性原理

3、虚拟存储器的定义

• 基于局部性原理，应用程序在运行前，没有必要全部装入内存，，仅将当前要运行的部分页面或段先装入内存即可，其余部分暂留在外存上。
• 虚拟存储器：是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却接近于外存。

二、虚拟存储器的实现方法

在虚拟存储器中，允许将一个作业分多次调入内存。如果采用连续分配方式，不仅造成内存资源的浪费，而且无法从逻辑上扩大内存容量。因此，虚拟存储器的实现都是建立在离散分配的存储管理方式的基础上。

两种实现方法：请求分页系统和请求分段系统

三、虚拟存储器的特征

• 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
• 虚拟性：能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远远大于实际内存容量

虚拟性以多次性和对换性为基础。

多次性和对换性又必须建立在离散分配的基础上。

4.6 请求分页系统

请求分页系统是建立在基本分页基础上的，增加了请求调页功能和页面置换功能。换入和换出的基本单位都是长度固定的页面，因而在实现上比请求分段系统简单。

• 一、请求分页中的硬件支持
• 二、内存分配策略和分配算法
• 三、调页策略

一、请求分页中的硬件支持

1、页表机制

在请求分页系统中所需要的主要数据结构是页表。基本作用仍是将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址。由于只将程序的一部分装入内存，还有一部分在外存中，因此须在页表中增加若干项，供程序或数据在换进换出时参考。

2、缺页中断机构

3、地址变换机构

请求分页系统中的地址变换机构，是在分页系统地址变换机构的基础上，再为实现虚拟存储器而增加了某些功能而形成的，如产生和处理缺页中断，以及从内存中换出一页的功能等。

二、内存分配策略和分配算法

为进程分配内存时，涉及三个问题：

• 最小物理块数的确定
• 物理块的分配策略
• 物理块的分配算法

1、最小物理块数的确定

• 最小物理块数，指能保证进程正常运行所需的最小物理块数。
• 当系统为进程分配的物理块数小于此值时，进程将无法运行。
• 进程应获得的最小物理块数与计算机的硬件结构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式。

2、物理块的分配策略

在请求分页系统中，可以采取两种内存分配策略，即固定和可变分配策略。在进行置换时，也可以采取两种策略，即全局置换和局部置换。于是组合出三种适合的策略。

• 固定分配局部置换
• 可变分配全局置换
• 可变分配局部置换

固定分配局部置换

• 为每个进程分配一定数目的物理块，在整个运行期间不再改变。采用该策略时，如果进程在运行中发现缺页，只能从该进程在内存中的n个页面中选出一页换出，然后再调入一页。
• 困难：应为每个进程分配多少个物理块难以确定。

可变分配全局置换

在采用这种策略时，先为系统中的每个进程分配一定数目的物理块，而OS自身也保持一个空闲的物理块队列。如果某进程发生缺页时，由系统从空闲的物理块队列中，取出一个物理块分配给该进程，并将欲调入的页装入其中。当空闲物理块队列中的物理块用完后，OS才能从系统中的任一进程中选择一页调出。

可变分配局部置换

为每个进程分配一定数目的物理块，如果某进程发生缺页时，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，不会影响其他进程执行。如果进程在运行中频繁发生缺页中断，则系统再为进程分配若干物理块；如果进程在运行中缺页率特别低，则适当减少分配给该进程的物理块。

3、物理块分配算法

在采用固定分配策略时，如何将系统中可供分配的物理块分配给各个进程，可采用以下几种算法：

• （1）平均分配算法：将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。
  缺点：未考虑各进程本身的大小。

• （2）按比例分配算法
  

• （3）考虑优先权的分配算法
  在实际应用中，为了照顾重要的、急迫的作业尽快完成，应为它分配较多的内存空间。

方法：

把内存中可供分配的物理块分为两部分：

• 一部分按比例分配给各进程；
• 一部分则根据各进程的优先权，适当的增加其相应份额，分配给各进程。

三、调页策略

整个过程由系统来实现，不需用户来操作！