虚拟内存 操作系统笔记整理系列

Posted 2021-06-26 雨宙

虚拟内存

背景

1. 虚拟内存：用户逻辑内存与物理内存的分离。
   （1）只有程序的一部分需要在内存中来运行
   （2）逻辑地址空间可以远远大于物理地址空间
   （3）允许地址空间可以被多个进程共享
   （4）允许更多高效进程创建
2. 虚拟内存可以通过按需调页和页置换来实现

按需调页（Demand Paging）

只有在需要时才将页调入内存，更少的I/O，更少的内存，更快的响应，满足更多的用户

1. 有效-无效位：每个页表条目都关联一个有效-无效位，1表示在内存中，0表示不在内存中，初始时所有的有效-无效位置为0
2. 页错误：如果有一个页面的引用，第一个引用将陷入操作系统（访问页，页不在内存中，在磁盘中）

处理页错误的步骤：

1. 检查这个进程的内部表，以确定该引用是有效的还是无效的内存访问
2. 如果引用无效，终止进程；如果引用有效但是该页尚未被调入到物理内存中，那么现在就应调入
3. 执行调度磁盘操作，将所需的页读入到物理内存刚分配的帧中
4. 当磁盘读取完成时，修改进程的内部表和页表，将页表的对应的有效无效位设置为1，以指示该页处于内存中
5. 重新启动被陷阱中断的指令
   

3. 页置换：发生在没有空闲帧的时候
   （1）在内存中找到一些没有真正使用的页面（牺牲帧），将其交换出去
   （2）算法性能：页置换算法导致最少数量的页错误
4. 按需调页的性能
   （1）页错误率p：p=0，没有页错误；p=1，每一个对页的引用的引用都导致页错误
   （2）有效访问时间EAT：(1 – p) x memory access
   + p (page fault interrupt
   + swap page out
   + swap page in
   + restart the process)

进程创建（Process Creation）

在进程创建过程中，虚拟内存提供了其他的好处：写时复制、内存映射文件

写时复制（Copy-on-Write）：

1. 允许子进程和父进程最初在内存中共享相同的页，如果任何一个进程修改了一个共享页面，那么该页面才会被复制
2. 允许更高效的进程创建，因为只复制修改过的页
3. 空闲页是从一个被清空的页面池中分配的
   

内存映射文件（Memory-Mapped Files）

1. 允许一部分虚拟内存与文件进行逻辑关联
2. 标准系统调用open()，read()，write()来顺序读取磁盘文件
3. 实现文件的内存映射是，将每个磁盘块映射到一个或多个内存页面，最初，文件访问按普通请求调页来进行，从而产生缺页错误，文件按页从文件系统读取到物理内存，之后，文件的读写就按常规的内存访问来处理
4. 通过内存的文件操作，没有系统调用read()和write()的开销（不用每一次都到磁盘读写），简化了文件的访问和使用
5. 注：内存映射文件的写入不一定是对物理文件的同步写入，可能是定期更新，当关闭文件时，所欲内存映射数据会写到磁盘，并从进程虚拟内存中删除
   

页置换（Page Replacement）

页置换完成了逻辑内存和物理内存的分离——可以在较小的物理内存上提供大的虚拟内存

1. 页置换步骤：
   （1）找到所需页的磁盘位置
   （2）找到一个空闲帧
   a. 如果有空闲帧，就使用它
   b. 如果没有空闲帧，那么就使用页置换算法选择一个牺牲帧
   c. 将牺牲帧的内容写到磁盘上，修改对应的页表和帧表
   d. 从发生页错误位置，继续用户进程
   

页置换算法

想要达成的目标：低页错误率
评估算法：针对特定的内存引用串，运行某个页置换算法，并计算页错误的数量

1. 引用串
   （1）需要考虑如何降低数据数量
   a. 仅考虑页码
   b. 如果有一个对页p的引用，那么紧跟其后的任何对页p的引用都不会产生页错误
2. 理论上，帧数越多，页面错误越少

FIFO算法

1. 核心思想：先进先出
2. 表现并不好：当帧数增大的时候，页错误数量也可能会增大
   

OPT算法

1. 核心思想：替换最长时间不会被使用的页（向后数）
   

LRU算法

1. 核心思想：替换最长时间没有被使用的页面（向前数）
2. 计数器实现：置换具有最小时间的页
3. 栈实现：两个指针首指针和尾指针，每当页被引用时，从栈中移除并放在顶部，这样，最近使用的页面总是在堆栈的顶部，最近最少使用的页面总是在底部
   

近似LRU页置换算法

包括额外引用位算法和第二次机会算法

基于计数的页面置换算法

为每个页面的引用次数保存一个计数器，采用最不经常使用或最经常使用页置换算法

帧分配（Allocation of Frames）

每个进程分配到所需要的最小帧数，所分配的帧不能超过可用帧的数量
两种分配方案：固定大小分配、基于优先级分配

固定大小分配

1. 平均分配：100个帧，5个进程，给每个进程分配20个页
2. 按比例分配（根据进程的大小）

基于优先级分配

1. 所采用的比例分配的策略不是根据进程的大小，而是根据进程的优先级 或 大小和优先级的组合
2. 发生页错误时换出优先级低的进程中的帧

全局分配和局部分配

全局置换允许一个进程从所有帧的集合中选择一个置换帧，而不管该帧是否已分配给其他进程，也就是说，一个进程可以从另一个进程那里获取帧
局部置换要求每个进程只从它自己分配的帧中进行选择

颠簸（Thrashing）

1. 如果一个进程没有足够的页，页错误率非常高，这会导致 低CPU利用率，操作系统认为可以增加多道程序的度，另外一个进程被添加进来
2. 颠簸：进程在不断地将页调入调出（页错误率高）

按需调页是根据局部性原理工作的，即每个进程只有一部分加载到物理内存中，进程会从一个局部转移到另外一个局部，局部可能会重叠

3. 颠簸发生的原因：局部之和>内存（如果没有分配到足够的帧来容纳当前局部，进程将会发生颠簸，因为不能在内存中保留正在使用的所有页面）

工作集模型

1. 最近$△$个页面引用的页面集合称为工作集（不用重复）
   

其他考虑

预调页

1. 预估第一个局部需要的页，一次性调入内存中

页大小的选择

1. 页表的大小：页表放入内存导致两次访问，使用TLB一次访问内存（一般只能放页表的子集，每一个局部的页加载到TLB中）
2. 碎片：单个页越大，内部碎片越大
3. I/O开销：单个页越大，效率越高，减少寻道和延迟时间
4. 局部：单个页越大，不能精确覆盖局部

TLB范围

1. TLB范围（TLB reach）：TLB条数与页面大小的乘积
2. 增大TLB范围的两种方法：增大页面大小、提供多个页面大小

I/O互斥锁

1. 页有时需要被锁定在内存中
2. 用于执行I/O请求的页面必须被锁定，以防止页置换算法将其替换出去。