21.内存换出

Posted 2022-07-12 PacosonSWJTU

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了21.内存换出相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

【README】

1.本文内容总结自 B站《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.有内存换入就有内存换出。
3.因为物理内存空间有限，n次（第n页）换入后导致物理内存用完，则n+1次（第n+1页）换入就会失败；
4.这时需要把某一页换出到磁盘，然后再执行n+1次（第n+1页）换入。

【1】内存换出

1）并不能总是获得新的页

因为物理内存是有限的，多次换入后，物理内存可能满了；
这时就需要选择一页淘汰，从物理内存换出到磁盘；

2）选择需要换出的物理内存页的选择算法

FIFO：先进先出；
MIN：；
LRU：最近最少使用；

补充：物理页换出的选择算法代码应该放在 get_free_page() 函数中，换出到磁盘后以腾出空闲页；

【2】内存页换出算法

【2.1】换出算法1-FIFO

1）FIFO，先进先出算法；

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
页	A	B	C	A	B	D	A	D	B	C	B

【图解】

内存页换入顺序 A， B， C；
页D请求调入，因为物理内存满，所以需要选择一页换出；
又页A第1个换入，所以把页A换出；页A换出到磁盘后，再把页D换入到物理内存（原先页A的内存空间）；
以此类推。FIFO算法共计缺页7次，换页4次。

2）FIFO有个问题：

第6次，把A换出，把D换入；
第7次，把B换出，把A换入；（这里页A被换出，然后又换入，显然存在资源浪费且影响系统性能）；

3）那到底换哪个页是最合适的？

换出页C最合适，从而引出了 MIN 算法；

【2.2】换出算法2-MIN

1）MIN算法：

选择最远将使用的页淘汰（或选择最近都不使用的页），是最优方案；

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
页	A	B	C	A	B	D	A	D	B	C	B

【图解】

内存页换入顺序 A， B， C；
第6次，页D请求调入，因为物理内存满，所以需要选择1页换出；
根据MIN算法（向后）找出最远使用的页（最近不使用的页）为页C，把页C换出到磁盘，再把页D换入到内存页（原先页C的内存页空间）；
以此类推。MIN算法总计缺页5次，换页2次。

3）MIN算法的缺点

需要知道将来发生的事情；没法知道；
（如第6次使用页D时，MIN算法要预先知道页C在第10次才使用，所以才把页C换出；第10次对于第6次来说就是未来的事情）

【2.3】换出算法3-LRU（最近最少使用）

1）LRU算法：最近最少使用算法；

选择最近最长一段时间没有使用的页淘汰；用过去的历史预测将来；
注意 LRU是参考之前的内存页使用情况，而MIN算法是参考之后的，这是它们的区别；

2）LRU算法利用了程序运行的局部性原理：

即一段时间内，程序会在一个较小的连续代码段中运行（如while），所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。所以选择最近最少使用的页换出，可以减少换页次数（或减少缺页次数），提高虚拟内存运行效率；

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
页	A	B	C	A	B	D	A	D	B	C	B

【图解】

内存页换入顺序 A， B， C；
第6次，页D请求调入，因为物理内存满，所以需要选择1页换出；
根据LRU算法（向前）找出最近最少使用的页为页C，把页C换出到磁盘，再把页D换入到内存页（原先页C的内存页空间）；
以此类推。LRU算法总计缺页5次，换页2次。

小结：LRU是公认的很好的物理内存页面换出算法。

【3】LRU算法代码的准确实现

【3.1】LRU的准确实现方法1-时间戳

【图解】

每页维护一个时间戳；
当页被使用时，更新时间戳（如时间戳 1 2 3 4 ...... ）；
当有请求调页且内存满时，换出时间戳最小的页到磁盘，再把页调入物理内存；

【步骤】基于时间戳的LRU算法步骤如下：

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
页	A	B	C	A	B	D	A	D	B	C	B

第1，2，3次：页A，B，C 先换入到内存，其时间戳分别为 1， 2， 3；
第4次：页A被访问（页A的地址空间被指令访问，下同），其时间戳更新为4；
第5次：页B被访问，其时间戳更新为5；
第6次：页D被访问，缺页请求换出页，根据LRU选择最近最少使用（时间戳最小）的页为C；所以把C换出，D换入，且D时间戳更新为6；
第7次：页A被访问，其时间戳更新为7；
第8次：页D被访问，其时间戳更新为8；
第9次：页B被访问，其时间戳更新为9；
第10次：页C被访问，缺页请求换出页，根据LRU选择最近最少使用（时间戳最小）的页为A；所以把A换出，C换入，且C时间戳更新为10；
第11次：页B被访问，其时间戳更新为11；

LRU算法实现起来简单，但做到操作系统里面是比较困难的；
原因：

每执行一条指令，MM都会做地址重定位（地址翻译），都会更新对应页的时间戳，指令执行效率低；
时间戳过大，可能溢出；

综上，操作系统中采用时间戳实现LRU不可行或难度很大；

【3.2】LRU的准确实现方法2-页码栈

1）维护一个页码栈

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
页	A	B	C	A	B	D	A	D	B	C	B

【图解】
基于时间戳的LRU算法步骤如下：

第1，2，3次：页A，B，C 先换入到内存，分别压栈；
第4次：页A被访问，则把栈底元素A拆出来，其他元素往下沉，再把A放入栈顶；（显然，越靠近栈顶，其最近是被使用的；越靠近栈底，表示其最近最少使用）
第5次：页B被访问，则把栈底元素 B 拆出来，其他元素往下沉，再把 B 放入栈顶；
以此类推。

2）基于页码栈实现的LRU

缺点：每次地址访问都需要修改栈（修改10次左右栈指针），实现代价仍然很大；

综上：操作系统中LRU 准确实现很少，只能近似实现；

【4】LRU算法的近似实现

【4.1】最近没有使用置换算法（又称二次机会算法或时钟算法）

把时间计数修改为是或否（1或0）；

【图解】

1）当页被访问时，设置该页的引用位为1（引用位用R表示，下同）；

2）在换页时（或选择淘汰页时），扫描页的引用位；

若R为1，则修改其为0 （可以理解为R等于1则再给一次机会）；
若R为0，则淘汰该页（或选择该页换出）；

【补充1】

R等于1：表示该页最近被使用；
R等于0：表示该页最近没有被使用（与最近最少使用是有区别的，所以它是LRU的近似实现）；

【补充2】

引用位R可以直接放在页表项中，MMU在查询页表时顺带把定位到的页表项的引用位R设置为1，额外代价非常小；

【补充3】

多个内存页的引用位组成循环队列是比较合适的；

【小结】

上述算法称为二次机会算法，二次机会算法， SCR （second chance replacement）；
二次机会算法又称为 Clock Algorithm （时钟算法）；

【4.2】Clock算法的分析与改造

1）Clock算法的问题：

clock算法虽然性能高，但对LRU的近似效果不好；
原因在于：如果缺页很少，换页不频繁，则R位会记录太长的历史信息，即所有的R都是1 ；指针转一圈后，所有R都等于0，则把指针指向的第一个页换出。这时clock算法退化为 FIFO 算法。

解决方法：

定时清除R位；新增一个扫描指针来清除 R 位（移动速度快）；
原先的淘汰页扫描指针还是用来选择换出页，移动速度慢；

综上： clock算法被改造为有2个扫描指针了；一个用来清除R位，另一个用来换出页；

指针	描述
定时清除R位	放在时钟中断处理程序中执行；
换出页	放在缺页中断处理程序中执行；

【4.3】给进程分配多少个页框

1）页框：指的是物理内存页的个数；

一个进程分配的物理内存页个数过多，会造成内存资源浪费，且没有发挥出请求调页机制提高内存利用率的功能；
一个进程分配的物理内存页个数过少，可能导致系统颠簸现象。

2）系统颠簸现象：

随着进程数增多，cpu利用率先快速上升，到达一定程度后急剧下降的现象。

【图解】
说明1）多道程序程度：指的是进程个数；
说明2）CPU利用率颠簸现象：随着进程个数增多，cpu利用率提高；但到达一定程度，cpu利用率随着进程个数增多而急剧下降；
说明3）cpu利用率下降原因在于：

操作系统内进程过多，给每个进程分配的物理内存页就少了（因为总物理内存大小有限），导致每个进程缺页率增大；
缺页率增大到一定程度，进程请求调页频繁或读磁盘频繁，导致cpu阻塞无法执行业务代码最终导致利用率低（补充，每次访问磁盘耗时约1ms）；

3）那应该给一个进程分配多少个页框（物理内存页）

分配的物理页个数，应该可以覆盖住一个局部连续内存空间（程序运行的局部性原理）；

4）那一个进程到底需要多少个物理页呢？

一个解决方法是：先分配20个；如果缺页率高，则多分配几个；若缺页率第，则减少几个。

【5】物理内存页换入与换出组合在一起（swap in and swap out）

【图解】
1）内存页换入换出步骤：

步骤1：load [addr] 访问addr逻辑地址，MMU把addr逻辑地址翻译为物理地址的过程中，通过逻辑地址计算得到逻辑页号；
步骤2：MMU通过逻辑页号从页表查询物理页号（页框号）；发现没有记录，即发生了缺页；
步骤3：MMU发出缺页中断；
步骤4（换入）：CPU处理缺页中断，执行缺页中断处理程序，从磁盘读取缺页数据到一个空闲内存页，并建立虚拟内存与物理内存的映射关系（在页表中新增一条映射，或一条页表项）；
步骤5：重新执行 load [addr] 指令；
步骤6（或有，换出）：若步骤4中没有空闲内存页，则调用clock算法选出换出的内存页并换出到磁盘；然后重复执行步骤4；

2）swap分区管理（swap in and swap out ，换入与换出）

swap分区管理通过内存，磁盘，时钟中断，缺页中断实现了内存页换入换出；
实现内存页换入换出，是为了实现虚拟内存；
实现虚拟内存，是为了实现操作系统段页结合的内存管理模式；
实现段页，是为了实现程序能够运行起来；
程序执行起来，实际上实现的是进程；

【补充】

【补充1】MMU

https://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/%E5%86%85%E5%AD%98%E7%AE%A1%E7%90%86%E5%8D%95%E5%85%83

内存管理单元（英语：memory management unit，缩写为MMU），有时称作分页内存管理单元（英语：paged memory management unit，缩写为PMMU）。它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）[1]、内存保护、中央处理器高速缓存的控制，在较为简单的计算机体系结构中，负责总线的仲裁以及存储体切换（bank switching，尤其是在8位的系统上）。