计算机操作系统（五）虚拟存储器_计算机操作系统虚拟存储器代码实现

1 虚拟存储器概述

① 有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存容量，作业不能被全部装入内存，导致作业无法运行
② 有大量的作业需要运行，但是内存容量不足以容纳这些所有的作业，只能将少数作业放入内存，而将大多数作业放在外存

1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理

1.1.1 特征

① 一次性：指作业必须全部一次性的装入内存后方可运行，所以作业过大时将无法运行
② 驻留性：作业被装入内存后，整个作业一直驻留在内存中，其中任何部分都不能被置换到外存

1.1.2 局部性原理

局部性规律：即在较短时间内，程序的执行仅局限于某个部分，其所访问的存储空间也仅限于某个区域

① 时间局限性：程序中某个指令被执行完毕后，不久后又会执行这个指令
② 空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也会被访问，即程序一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围之内。

1.1.3 虚拟存储器的基本工作情况

基于局部性原理，程序在运行时没有必要把其全部装入内存中，而仅仅将那些当前需要访问和运行的少数页面或段先存入内存；程序运行时，如果它所要访问的页（段）已经调入内存，便可执行下去；但如果程序所要访问的页（段）还没调入内存，便发出缺页（段）中断请求，此时OS将利用请求页（段）功能将其调入内存，以便程序继续运行下去；若此时内存已满，OS还利用页（段置换功能）将内存中暂时不用的页（段）调入外村腾出内存空间，再将需要访问的页（段）调入内存。

1.2 虚拟存储器的定义与特征

1.2.1 定义

1.2.2 特征

① 多次性：一个作业中的程序和数据无需一次性全部装入内存，而是被多次调入内存
② 对换性：允许将那些暂时在内存中不用的代码和数据调入外存的对换区
③ 虚拟性：能够从逻辑上扩充容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量

1.3 虚拟存储器的实现方法

1.3.1 分页请求系统

在分页系统的基础上增加请求调页功能和页面置换功能

• 硬件支持
  ① 请求分页的页表机制
  ② 缺页中断机制
  ③ 地址变换机构

1.3.2 分段请求系统

在分段系统的基础上增加请求调页功能和页面置换功能

• 硬件支持
  ① 请求分段的段表机制
  ② 缺段中断机制
  ③ 地址变换机构

2 请求分页存储管理方式

2.1 硬件支持

• 请求页表机制
  ① 状态位（存在位）P：用于指示该页是否调入内存，供程序调用时参考；
  ② 访问字段A：记录本页一段时间内被访问的次数
  ③ 修改位M：在置换页面时，如果该页未被修改，就无需将该页重写回外存，以减少系统开销和磁盘的启动次数；若被修改，则必须将该页重写到外存上，以保证外存保留的副本始终是最新的
  ④ 外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，以供调入时参考
• 缺页中断机构
  ① 在指令执行期间产生中断和处理中断信号
  ② 一条指令执行期间可能产生多次中断
• 地址变换机构
  在进行地址变换时，首先检索快表，试图从中找到所要访问的页面；若找到，便修改页表项中的访问位，供置换算法选出页面时参考

2.2 请求分页中的内存分配

• 最小物理块数确定
  保证程序运行时所需的最小物理块数；若是单地址指令，采用直接寻址的方式，则所要的最小物理块数为2；一块用于存放指令的页面，另一块用于存放数据的页面；若允许间接寻址，则至少需要3个物理块。
• 内存分配策略
  ① 固定分配局部置换策略：为进程分配一定的物理块，运行期间不再改变
  ② 可变分配全局置换策略：先为进程分配一定量的物理块，在进程运行期间，可根据实际情况做出适当的增加和减少，但是此时增加时直接从OS内存区选取出一个空闲的页，同时这个被选中的进程拥有的物理块数目减少，导致失页率增加
  ③ 可变分配局部置换策略：与②一样的策略，但是增加时只允许从当前进程所在的内存页面中调入页，这样不会影响其他的进程
• 物理块分配算法
  ① 平均分配
  ② 按比例分配
  ③ 考虑优先权的分配算法

2.3 页面调入策略

① 何时调入页面
② 从何处调入页面
③ 页面调入过程
缺页率

3 页面置换算法

3.1 最佳置换算法

3.2 先进先出置换算法

3.3 最近最久未使用和最少使用置换算法

3.4 Clock置换算法

3.5 页面缓冲算法

4 抖动与工作集

• 抖动：同时在系统中运行的进程太多，每个进程分配到的物理块数太少，不能满足进程的正常运行的基本要求，致使每个进程在运行时，频繁的出现换页，导致磁盘的有效访问时间也急剧增加，使得大多时间用在页面的换入和换出
• 工作集：指在某段时间间隔里面，进程实际所要访问页面的集合
• 抖动的预防方法：
  ① 采取局部置换策略，不影响其他进程
  ② 把工作集融入到处理机调度中
  ③ 利用L=S准则调节缺页率
  L：缺页之间的平均时间
  S：平均缺页服务时间
  ④ 选择暂停的进程：将暂停的进程调出到磁盘

5 请求分段存储管理方式

5.1 硬件支持

• 请求段表机制
• 缺段中断机构
• 地址变换机构

5.2 分段的共享和保护

• 共享段表
• 共享段的分配与回收
• 分段保护