请求分页管理方式及页面分配策略

Posted 2021-09-15 bfhonor

一、请求分页管理方式

• 请求分页 存储管理与基本分页存储管理的主要区别：
  ①、在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存【操作系统要提供请求调页功能，将缺失页面从外存调入内存】，然后继续执行程序。
  ②、若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存【操作系统要提供页面置换的功能，将暂时用不到的页面换出外存】。

（一）页表机制

（二）缺页中断机构

• 假设此时要访问逻辑地址=（页号，页内偏移量）=（0, 1024）
• 在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断。
• 此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列。

1. 内存存在空闲块

• 如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项。
  

2. 内存中不存在空闲块

• 如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存。未修改过的页面不用写回外存。
  

（三）缺页中断机构

• 缺页中断**是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。（如：copy A to B，即将逻辑地址A中的数据复制到逻辑地址B，而A、B属于不同的页面，则有可能产生两次中断）

（四）地址变换机构

• 请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别：
  在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。
  若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。
  
• 新增步骤1：请求调页（查到页表项时进行判断）
• 新增步骤2：页面置换（需要调入页面，但没有空闲内存块时进行）
• 新增步骤3：需要修改请求页表中新增的表项
  
  

二、页面分配策略

（一）驻留集

• 驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。
• 在采用了虚拟存储技术的系统中，驻留集大小一般小于进程的总大小。
• 考虑一个极端情况，若某进程共有100个页面，则该进程的驻留集大小为100时进程可以全部放入内存，运行期间不可能再发生缺页。若驻留集大小为1，则进程运行期间必定会极频繁地缺页
• 若驻留集太小，会导致缺页频繁，系统要花大量的时间来处理缺页，实际用于进程推进的时间很少；
• 驻留集太大，又会导致多道程序并发度下降，资源利用率降低。所以应该选择一个合适的驻留集大小。
• 固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变。即，驻留集大小不变
• 可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当的增加或减少。即，驻留集大小可变。
• 局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换。
• 全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程。
  

（二）页面分配、置换策略

• 固定分配局部置换 ：系统为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面。这种策略的缺点是：很难在刚开始就确定应为每个进程分配多少个物理块才算合理。（采用这种策略的系统可以根据进程大小、优先级、或是根据程序员给出的参数来确定为一个进程分配的内存块数）
• 可变分配全局置换 ：刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列。当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分配给该进程；若已无空闲物理块，则可选择一个未锁定的页面换出外存，再将该物理块分配给缺页的进程。采用这种策略时，只要某进程发生缺页，都将获得新的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页可能是系统中任何一个进程中的页，因此这个被选中的进程拥有的物理块会减少，缺页率会增加。【系统会锁定一些面，这些页面中的内容不能置换出外存（如：重要的内核数据可以设为“锁定”）】
• 可变分配局部置换 ：刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块。当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个进行换出外存。如果进程在运行中频繁地缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋势适当程度；反之，如果进程在运行中缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。
• 可变分配全局置换 ：只要缺页就给分配新物理块
• 可变分配局部置换 ：要根据发生缺页的频率来动态地增加或减少进程的物理块

（三）何时调入页面？

1. 预调页策略：根据局部性原理【局部性原理：主要指空间局部性，即：如果当前访问了某个内存单元，在之后很有可能会接着访问与其相邻的】，一次调入若干个相邻的页面可能比一次调入一个页面更高效。但如果提前调入的页面中大多数都没被访问过，则又是低效的。因此可以预测不久之后可能访问到的页面，将它们预先调入内存，但目前预测成功率只有50%左右。故这种策略主要用于进程的首次调入【运行前调入】，由程序员指出应该先调入哪些部分。
2. 请求调页策略：进程在运行期间发现缺页时才将所缺页面调入内存【运行时调入】。由这种策略调入的页面一定会被访问到，但由于每次只能调入一页，而每次调页都要磁盘I/O操作，因此I/O开销较大。

• 系统拥有足够的对换区空间：页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。
  
• 系统缺少足够的对换区空间：凡是不会被修改的数据都直接从文件区调入，由于这些页面不会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。
  
• UNIX 方式：运行之前进程有关的数据全部放在文件区，故未使用过的页面，都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换区，下次需要时从对换区调入。
  

（四）抖动（颠簸）现象

（五）工作集

• 驻留集 ：指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合。
• 工作集 ：指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。
  
• 工作集大小可能小于窗口尺寸，实际应用中，操作系统可以统计进程的工作集大小，根据工作集大小给进程分配若干内存块。如：窗口尺寸为5，经过一段时间的监测发现某进程的工作集最大为3，那么说明该进程有很好的局部性，可以给这个进程分配3个以上的内存块即可满足进程的运行需要。一般来说，驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页。
• 拓展：基于局部性原理可知，进程在一段时间内访问的页面与不久之后会访问的页面是有相关性的。因此，可以根据进程近期访问的页面集合（工作集）来设计一种页面置换算法——选择一个不在工作集中的页面进行淘汰。