操作系统—— 内存管理:虚拟内存管理
Posted 大彤小忆
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2. 虚拟内存管理
虚拟内存技术允许执行进程不必完全处于内存。这种方案的一个主要优点就是,程序可以大于物理内存。此外,虚拟内存将内存抽象成一个巨大的、统一的存储数组,进而实现了用户看到的逻辑内存与物理内存的分离。这种技术使得程序员不再担忧内存容量的限制。
虚拟内存还允许进程轻松共享文件和实现共享内存。此外,它为创建进程提供了有效的机制。然而,虚拟内存的实现并不容易,并且使用不当还可能会大大降低性能。
2.1 背景
内存管理算法是必要的,因为有一个基本要求:执行的指令应处于物理内存。满足这一要求的第一种方法是,将整个逻辑地址空间置于物理内存中。动态加载可以帮助缓解这种限制,但它通常需要特殊的预防措施和程序员的额外工作。
指令应处于物理内存以便执行的要求,似乎是必要的和合理的;但它也是有缺点的,因为它将程序的大小限制为物理内存的大小。事实上,通过实际程序的研究会发现,在许多情况下并不需要将整个程序置于内存中。
虚拟内存(virtual memory) 将用户逻辑内存与物理内存分开。这在现有物理内存有限的情况下,为程序员提供了巨大的虚拟内存,如下图所示。虚拟内存使得编程更加容易,因为程序员不再需要担心有限的物理内存空间,只需要关注所要解决的问题。
进程的虚拟地址空间(virtual address space) 就是进程如何在内存中存放的逻辑(或虚拟)视图。通常,进程从某一逻辑地址(如地址0)开始,连续存放,如下图所示。物理地址可以按帧来组织,并且分配给进程的物理帧也可以不连续,这就需要内存管理单元(MMU) 将逻辑页映射到内存的物理页帧。
2.2 请求调页
如何从磁盘加载可执行程序到内存。
一种选择是,在程序执行时将整个程序加载到物理内存。然而,这种方法的一个问题是,最初可能不需要整个程序都处于内存。假设程序开始时带有一组用户可选的选项。加载整个程序会导致所有选项的执行代码都加载到内存中,而不管这些选项是否最终使用。
另一种策略是,仅在需要时才加载页面。这种技术被称为请求调页(demand paging) , 常常用于虚拟内存系统。对于请求调页的虚拟内存,页面只有在程序执行期间被请求时才被加载。因此,从未访问的那些页从不加载到物理内存中。
请求调页系统类似于具有交换的分页系统,如下图所示,这里进程驻留在外存上(通常为磁盘)。当进程需要执行时,它被交换到内存中。不过,不是将整个进程交换到内存中,而是采用惰性交换器(lazy swapper) 。惰性交换器除非需要某个页面,否则从不将它交换到内存中。
在请求调页的上下文中,使用术语“交换器”在技术上是不正确的。交换器操纵整个进程, 而调页程序(pager) 只涉及进程的页面。因此,在讨论请求调页时,我们使用“调页程序”,而不是“交换器”。
2.3 页面置换
如果增加了多道程序,那么可能会过度分配内存。
内存的过度分配会有问题。当用户进程正在执行时,可能发生缺页错误。操作系统确定所需页面的磁盘位置,但是却发现空闲帧列表上没有空闲帧,所有内存都在使用。
这时,操作系统有多个选项。它可以终止用户进程。然而,请求调页是操作系统试图改善计算机系统的使用率和吞吐量的技术。用户不应该意识到,他们的进程是运行在调页系统上:对用户而言,调页应是透明的。因此,这个选择并不是最佳的。
此外,操作系统也可以交换出一个进程,以释放它的所有帧并降低多道程度。在某些情况下,这个选项是不错的。这里,我们讨论最常见的解决方案:页面置换(page replacement) 。
2.3.1 基本页面置换
页面置换采用以下方法。如果没有空闲帧,那么就查找当前不再使用的一个帧,并释放它。可以这样来释放一个帧:将其内容写到交换空间,并修改页表(和所有其他表),以表示该页不在内存中,如下图所示。
现在可使用空闲帧,来保存进程出错的页面。修改缺页错误处理程序,以包括页面置换:
1. 找到所需页面的磁盘位置。
2. 找到一个空闲帧:
a. 如果有空闲帧,那么就使用它。
b. 如果没有空闲帧, 那么就使用页面置换算法来选择一个牺牲帧(victim frame) 。
c. 将牺牲帧的内容写到磁盘上,修改对应的页表和帧表。
3. 将所需页面读入(新的)空闲帧,修改页表和帧表。
4. 从发生缺页错误位置,继续用户进程。
注意,如果没有空闲帧,那么需要两个页面传输(一个调出,一个调入)。这种情况实际上加倍了缺页错误处理时间,并相应地增加了有效访问时间。
为实现请求调页, 必须解决两个主要问题:应设计帧分配算法(frame-allocation algorithm)和页面置换算法(page-replacement algorithm) 。也就是说, 如果有多个进程在内存中, 则必须决定要为每个进程分配多少帧;并且当需要页面置换时,必须选择要置换的帧。设计适当的算法来解决这些问题是个重要任务,因为磁盘I/O是如此昂贵。即使请求调页方法的轻微改进也会为系统性能带来显著提高。
2.3.2 FIFO页面置换
最简单的页面置换算法是FIFO(First In First Out)算法。FIFO页面置换算法为每个页面记录了调到内存的时间。当必须置换页面时,将选择最旧的页面。请注意,并不需要记录调入页面的确切时间。
可以创建一个FIFO队列, 来管理所有的内存页面,置换的是队列的首个页面。当需要调入页面到内存时,就将它加到队列的尾部。
2.3.3 最优页面置换
最优页面置换即置换最长时间不会使用的页面。
这种页面置换算法确保,对于给定数量的帧会产生最低的可能的缺页错误率。
2.3.4 LRU页面置换
最近最少使用算法(Least-Recent-Used algorithm,LRU算法)。
LRU置换将每个页面与它的上次使用的时间关联起来。
2.3.5 基于计数的页面置换
页面置换还有许多其他算法。例如,可以为每个页面的引用次数保存一个计数器,并且开发以下两个方案:
- 最不经常使用(Least Frequently Used, LFU) 页面置换算法要求置换具有最小计数的页面。这种选择的原因是,积极使用的页面应当具有大的引用计数。然而,当一个页面在进程的初始阶段大量使用但是随后不再使用时,会出现问题。由于被大量使用,它有一个大的计数,即使不再需要却仍保留在内存中。一种解决方案是,定期地将计数右移1位,以形成指数衰减的平均使用计数。
- 最经常使用(Most Frequently Used, MFU) 页面置换算法是基于如下论点:具有最小计数的页面可能刚刚被引人并且尚未使用。
2.4 帧分配
在各个进程之间,如何分配固定数量的可用内存?每个进程各分配多少帧?
2.4.1 帧的最小数
帧分配策略受到多方面的限制。例如,所分配的帧不能超过可用帧的数量,也必须分配至少最小数量的帧。
分配至少最小数量的帧的一个原因涉及性能。显然,随着分配给每个进程的帧数量的减少,缺页错误率增加,从而减慢进程执行。此外,请记住,若在执行指令完成之前发生缺页错误,应重新启动指令。因此,必须有足够的帧来容纳任何单个指令可以引用的所有不同的页面。
2.4.2 分配算法
平均分配: 每个进程分配相同数量的帧。
按比例分配: 进程占用内存越大,分配帧的数量越多。
2.4.3 全局分配与局部分配
为各个进程分配帧的另一个重要因素是页面置换。由于多个进程竞争帧,可以将页面置换算法分为两大类:全局置换(global replacement) 和局部置换(local replacement) 。
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。
2.5 系统抖动
如果进程没有需要支持活动使用页面的帧数,那么它会很快产生缺页错误。此时,必须置换某个页面。然而,由于它的所有页面都在使用中,所以必须立即置换需要再次使用的页面。因此,它会再次快速产生缺页错误,再一次置换必须立即返回的页面,如此快速进行。这种高度的页面调度活动称为抖动。如果一个进行的调页时间多于它的执行时间,那么这个进程就在抖动。
2.5.1 系统抖动的原因
抖动导致严重的性能问题。考虑以下场景,这是基于早期调页系统的实际行为。
操作系统监视CPU利用率。 如果CPU利用率太低, 那么通过向系统引人新的进程来增加多道程度。采用全局置换算法会置换任何页面,而不管这些页面属于哪个进程。现在假设进程在执行中进入一个新阶段,并且需要更多的帧。它开始出现缺页错误,并从其他进程那里获取帧。然而,这些进程也需要这些页面,因此它们也会出现缺页错误,并且从其他进程中获取帧。这些缺页错误进程必须使用调页设备以将页面换进和换出。当它们为调页设备排队时, 就绪队列清空。随着进程等待调页设备, CPU利用率会降低。
CPU调度程序看到CPU利用率的降低, 进而会增加多道程度。新进程试图从其他运行进程中获取帧来启动, 从而导致更多的缺页错误和更长的调页设备队列。因此, CPU利用率进一步下降, 并且CPU调度程序试图再次增加多道程度。这样就出现了抖动, 系统吞吐量陡降。缺页错误率显著增加。结果,有效内存访问时间增加。没有工作可以完成,因为进程总在忙于调页。
如何解决抖动问题?
1. 通过局部置换算法。
2. 工作集模型。
3. 缺页错误频率:设置缺页错误率的上下限。
2.5.2 内存映射文件
假设采用标准系统调用open()
、read()
和write()
来顺序读取磁盘文件。每个文件访问都需要系统调用和磁盘访问。或者,采用所讨论的虚拟内存技术,以将文件I/O作为常规内存访问。这种方法称为内存映射(memory mapping) 文件, 允许一部分虚拟内存与文件进行逻辑关联。正如我们将会看到的,这可能导致显著的性能提高。
以上是关于操作系统—— 内存管理:虚拟内存管理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
Linux 操作系统原理 — 内存管理 — 页式内存管理技术