操作系统—内存管理_cache和分页

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内存管理
问题
1、什么是局部性原理？

时间上的局部性：最近被访问的页在不久的将来还会被访问，例如：循环语句；
空间上的局部性：内存中被访问的页周围的页也很可能被访问，例如：使用数组。
2、什么是虚拟内存？

1).内存的发展历程（了解）

没有内存抽象(单进程，除去操作系统所用的内存之外，全部给用户的一个程序使用)
有内存抽象（多进程，进程独立的地址空间，交换技术(内存大小不可能容纳下所有并发执行的进程)）
连续内存分配(固定大小分区，可变分区(首次适应（空闲区表按地址递增排），最佳适应（空闲区表按大小递增排），最差适应（空闲区表按大小递减排）)，碎片)
不连续内存分配（分页、分段、段页式）
2).虚拟内存——内存管理的核心 
　　虚拟内存是将硬盘的一部分作为内存（又叫主存）来使用。在程序装入时，可将程序的一部分装入内存，就可启动程序执行；在程序执行过程中，当所访需要的信息不在内存时，就将这部分从虚拟内存调入内存，然后继续执行程序；最后，将内存中暂时不用的信息换出到虚拟内存。

3、内存管理有哪几种方式

页式管理、段式和段页式管理。

4、说说页式存储管理实现虚拟内存的原理？

是实现虚拟内存的一种常用方式（还有段式、段页式）。需要页表、地址映射、缺页中断机制。

先来了解一些名词： 
1.页(又叫页面)：将进程分为等大的小片，这些小片就是页。一个页的大小一般为4KB。 
2.页框（又叫物理块号）：将内存分为等大的小片，这些小片就是页框。 
3.页号：页的编号；页框号：页框的编号。 
4.页表：一个进程就对应一个页表（如下表），用于记录页号和页框号等对应的信息 以 显示一个页和一个页框的对应的关系。页表放在Cache（快速缓冲区Cache位于主存和CPU之间，作用是解决主存和CPU速率匹配问题）中就叫快表；放在内存中就叫慢表。

页号    页框号    中断位    辅存地址
1    
0    
5.地址映射：地址映射时优先访问快表。若在快表中找到所需数据的页号，则“命中”，也就是所需的页在内存里的；若没有在快表中找到，则访问慢表同时更新快表。 
6.缺页中断：经常发生，缺页中断就是要访问的页不在内存，需要操作系统将其调入内存后再进行访问，并更新页表中该页对应的页框号以及修改中断位为0。

页式存储管理的基本思想：在进程执行前，仅装入当前执行所需的页；在执行时，调入要访问但又不在内存的页（即缺页中断）；当内存空间已满，而又需要装入新的页时，则根据合理的页面调度策略适当调出某个页，以便腾出空间而装入新的页。

5、介绍下常见的页面调度策略（又叫淘汰策略，又叫Cache替换算法）？

FIFO先进先出算法：淘汰最先进来的；
LRU最久未使用算法：淘汰距离上次使用时间最长的；
LFU（Least frequently use）最不经常使用算法：淘汰使用次数最少的（用计数器对每页进行计数）；
OPT最优置换算法：淘汰将来不再需要或在最遥远的将来才会使用的页。
6、什么是页面颠簸（又叫页面抖动）？

　　颠簸本质上是指频繁的页调度行为。页面在内存和辅存间频繁交换的现象。会导致整个系统的效率急剧下降，这种现象称为颠簸（抖动）。

内存颠簸的解决策略包括：

如果是因为页面替换策略失误，可以修改替换算法来解决这个问题；
如果是因为进程太多，无法同时将所有频繁访问的页面调入内存，则要降低进程的数量；
否则，增加物理内存容量。
7、分页和分段有什么区别？

两者的区别：

目的不同：分页是信息的物理单位，由于系统管理的需要而不是用户的需要；分段（如下图）是信息的逻辑单位，目的是为了能更好地满足用户的需要；
大小不同：页的大小固定且由系统决定，而段的长度可变，由其所完成的功能来决定长度；
地址空间不同： 段向用户提供二维地址空间（段号＋偏移）；页向用户提供一维地址空间；
信息共享：段便于存储保护和信息的共享，页的存储保护和信息的共享受到限制；
内存碎片：页式存储管理的优点是没有外碎片（因为页的大小固定），但会产生内碎片（一个页可能填充不满）；而段式管理的优点是没有内碎片（因为段可以改变段大小来消除内碎片），但段会产生外碎片（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片）。

8、Windows内存管理的方式(页式、段式、段页式)

页式能有效地提高内存的利用率，而段式系统能反映程序的逻辑结构，便于段的共享与保护。将分页与分段两种存储方式结合起来，就形成了段页式存储管理方式。 
在段页式存储管理系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，每个进程设置一个段表；再将每段分成若干个大小相等的页，每个段有自己的页表。段页式调度综合了段式和页式的优点，大型通用计算机系统多数采用段页式调度。 
PS：Linux只用了页式虚拟存储管理的方式。

9、段页式管理每取一数据，要访问（）次内存。

3次 
在段页式存储管理方式中，取一次数据：首先要从内存中查找段表；再查找该段对应的页表；最后通过得到的物理地址访问内存获得数据。

参考
【1】操作系统面试问题集锦 
http://blog.csdn.net/justloveyou_/article/details/78304294 
【2】操作系统基础知识梳理 
https://www.nowcoder.com/discuss/62723