期末复习——虚拟内存

Posted 2023-02-19 sectumsempra

虚拟内存管理

为什么要虚拟内存?
单道程序的时候
多道程序系统下，多个进程之间共享了主存，但是运行的进程会需要很多内存，物理上不扩展内存，在逻辑/虚拟层面扩充“内存”。

虚拟内存将用户虚拟内存和物理内存分开。随着进程运行的需求，将需要的页面调入内存，将不需要的调出内存。像是一个更加大的物理存储空间，但是其实是不存在的。

• 虚拟内存管理方式(内存管理中提到过
  1. 请求分页存储管理
  2. 请求分段存储管理
  3. 请求段页式存储管理
     需要硬件支持：内存外存空间、页表机制or段表机制、中断机制(访问页面不在内存时)、LA-->PA的映射(MMU)

请求分页管理

• 从磁盘加载可执行程序到内存(两种方式)
  1. 整个一次性加载到物理内存
  2. 请求调页：仅在需要的时候才加载
     纯请求调页：只有需要这个页面时才调入。

请求调页

一开始只调入了少量页，运行过程中，惰性交换器(只有需要时才调入页)操纵真个过程。

几个特殊位设置

1. 有效位
   • 有效：页面合法and页面在内存中
   • 无效：页面不合法or页面不在内存中
2. 修改位(脏位)
   • 已修改：写入磁盘
   • 未修改：直接丢弃，因为并没有任何变化。

缺页中断/页面置换

• 页面置换步骤：
  1. 找到所需页面P1的磁盘位置，确定这个引用是有效/无效。无效终止进程。
  2. 找到一个空闲帧
     1. 有空闲帧，直接用
     2. 没有空闲帧，使用页面置换算法选择一个牺牲帧
     3. 若牺牲帧被修改过(看修改位)，将牺牲帧内容写入磁盘，修改页表、帧表。(有效位什么的要改)
  3. 将P1读入这个空闲帧，修改页表、帧表。
  4. 从缺页中断错误处继续用户进程。

不同于一般的中断，属于内部异常，缺页中断是指令执行期间发生的，而不是执行完后产生、处理中断信号。

页面置换算法

1 FIFO页面置换

移走最早进来的那个帧，无论其最近有没有被使用过。

2 OPT最优页面置换

要预知未来，很难实现。
置换未来最长时间不会使用的页面

3 LRU页面置换

最近最少使用。
置换最长时间没有使用过的页面。

• 使用工具记录
  • 计时器：为每个页面关联一个时间域。每次内存引用递增。
  • 栈：页面被调用时，页面从栈中pop然后push入栈(到了栈顶)，牺牲指针指向栈的底部。

4 近似LRU页面置换

• 额外引用位算法：页表每个页面保留1B=8bits定期记录。每个时钟右移一位，修改位放到最高位，舍弃最低位。好理解，小数字是淘汰页。
• 第二次机会算法：基于FIFO、采用循环队列实现。找到牺牲页面，
  • 修改位=0：直接置换
  • 修改位=1，置0，再给一次机会，寻找下一个牺牲帧同样检测。
    ps.若所有位=1，退化成FIFO。
• 第二次机会算法(加强版)：(引用位，修改位)：(0,0)>(0,1)>(1,0)>(1,1)

5 基于计数页面置换

• LFU最不经常使用
• MFU最经常使用

帧分配

• 平均分配：93帧 5进程：每个进程18个帧，剩余3个给空闲帧缓冲池
• 比例分配：按照进程的优先级or大小和优先级的组合分配。
• 全局置换：允许一个进程从另一个进程获取帧。
• 局部置换：只允许从自己分配的帧中获取帧。

抖动

刚刚换出的页面现在又需要调入，抖动指这种频繁的页面调度行为。

• 根本原因：系统中运行进程太多。可用帧太少。

工作集

为解决抖动问题，在某段时间内进程可能要频繁访问的页面集合——工作集。

• 可根据局部性原理，将最近访问的页面作为工作集。

内存映射文件

磁盘文件(全部or部分)与 进程虚拟地址空间某区域建立映射联系。不必执行文件I/O(read()、write()等等)操作了。
使用于大文件。多进程一起访问。

• 关于写入：可能即时可能不即时。
• 关闭文件：将内存映射数据写入磁盘，从进程虚拟内存中删除。

请求调页性能

p的概率缺页，内存访问时间ma(ns)
有效访问时间 = (1-p)*ma + p*缺页错误处理时间

写时复制

针对父子进程之间，任何一个进程写入页面，就会复制一份共享页面副本。

• 写时复制
• 不写时共享
  页面池：空闲页面存储在这里，“写时复制”复制的内容利用这些空闲页面。
• 按需填零技术：空闲页面之前填0，清除所有内容。

分配内核内存

1 伙伴系统

• 从物理连续的大小固定的段分配。
• 2的幂分配。
• 合并的技术：将相邻的伙伴合成一个大的分段。有内碎片

就是一个二叉树画下去，叶子结点是父节点大小的二分之一。

2 slab分配

• 内核对象-->指向cache
• 一个cache(1 or 多个 slab组成)
• 1个slab(1 or 多个 物理连续页面)
• 过程：最初cache内所有对象都标记位空闲，内核数据结构需要新对象时，分配器从cache上分配任何空闲对象满足请求-->used标记。
• 优点：
  1. 没有碎片引起的浪费
  2. 快速满足内存请求

虚拟内存空间大小怎么决定的?
同时满足两个条件
1. 虚拟内存容量<= 内存容量+外存容量
2. 虚拟内存容量<=计算机地址能容纳的总容量。32位地址，按字节编址(一个地址表示一个B)。
虚拟内存<=2³²B=4GB

虚拟内存如何解决问题?
使用外存扩充内存空间。

...倒置页表不看了md记不住的再见爷要睡了