-虚拟存储器

Posted 2022-11-25 吹灭读书灯 一身都是月

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第五章-虚拟存储器

5.1 虚拟存储器概述

一、虚拟存储器的引入

1. 常规存储器管理方式的特征和局部性原理

   • 一次性：要求所有作业全部装入内存才能运行

   • 驻留性：时间局限性 & 空间局限性

     

二、虚拟存储器的定义和特征

定义：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。其逻辑容量由内存和外存容量决定，运行速度接近内存速度，成本接近外存。

特征：

• 多次性：一个作业中的程序和数据运行被分成多次调入内存运行，最重要的特征，使虚拟存储器具有从逻辑上扩大内存的功能。
• 对换性：一个作业的程序和数据无需在作业运行时常驻内存，允许运行过程中进行换进、换出。
• 虚拟性：能从逻辑上扩大内存容量，使得用户看到的内存容量远大于实际的内存容量。

三、实现方法

1. 分页请求系统

   在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能

2. 分段请求系统

   在分段系统的基础上，增加了请求调段功能和分段置换功能

5.2 请求分页存储管理方式

5.2.1 硬件支持

1、页表机制

• 状态位（存在位）P：用于指示该页是否调入内存，供程序访问时参考。
• 访问字段A：记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已经多久未被访问。
• 修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过，用于判断调出时是否需要更新外存对应的页。
• 外存地址：指出该页在外存上的地址，通常是物理块号。

2、缺页中断机构

访问的页不在内存时产生，要从外存调入

缺页中断也需要经历保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理，中断处理完成后恢复CPU环境这几步骤。但是缺页中断和普通中断不同：

• 在指令执行期间产生中断和处理中断信号。
• 一条指令在执行期间可能产生多次缺页中断。

3、地址变换机构

5.2.2 请求分页中的内存分配

5.3 页面置换算法

5.3.1 最优页面置换算法（OPT）

将以后永不使用的或是最长时间内不在访问的页面，过于理想化，可以用作评判置换算法优劣的标准。

5.3.2 先进先出(FIFO)算法

选择在内存内驻留时间最长的页面进行置换，实现方便，但效果不好。

5.3.3 最近最久未使用算法（LRU）

Least Recently Used ： 由于无法实现OPT中未来的最优， 退而求其次，用最近的过去当作最近的将来的近似。以最近的时间为评判标准，每个页面的访问字段中记录距离上次访问的时间t，每次置换时选取t值最大的置换出去。这种用过去近似未来的方法比FIFO更优，但页面的过去和未来没有明显的联系，所以在极端情况下，该算法还是会退化为FIFO的。

最少使用置换算法（ LFU）

思想类似于LRU，但是以最近一段时间页面访问次数为评判依据，每次将最近访问次数最少的置换出去。实现方式也是利用一个寄存器，每次被访问则将最高位置1，每隔一定时间右移一位，则寄存器中1个数最少的就是最近时间内访问次数最少的。

5.3.4 Clock置换算法NRU

LRU算法需要硬件支持，实际大多采用近似算法

具体实现方式如下：

• 为每页设置一个访问位，1表示访问过，0表示未被访问，所有页面用循环链表连接。
• 当需要进行页面置换时，将指针顺时针遍历页面，如果访问位为1则将其变为0，直到遇到第一个访问位为0的页面，将其置换出去。

由于每次只能判断某个页面是否被访问过，置换时将未使用过的页面置换出去，又把该算法称为最近未用算法（NRU）。

5.3.5 改进型Clock算法

同时考虑页面的使用情况和修改情况

某个页面被换出后，如果该页面被修改过，则还需写入内存，如果未被修改过则无需写入内存。所以，在选择置换的页面时，同样是访问位为0的页面，置换出未被修改过的页面显然是更好的方法。

实现方法是，增加一个修改位M：

• 第一轮先寻找访问位和修改位都为0的，找到则置换。
• 第二轮找访问位为0，修改位为1的，同时将访问位为1的改为0
• 如果还未找到，则重新寻找访问位和修改位为0的（因为部分页面的访问位在第三轮变为0了）
• 还未找到则寻找访问位为0，修改位为1的，必然可以找到。

5.4 “抖动”

是指刚刚被换出的内容又被访问，因此马上又要换入的频繁置换页面的现象。

原因：进程太多，分配给每个进程的物理块太少

5.5 请求分段存储管理方式

5.5.1 硬件支持

5.5.2 分段的共享和保护