p/os-memory-manage-virtual-storage/

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虚拟存储技术 基本思想：利用大容量的外存来扩充内存，产生一个比有限的实际内存空间大得多的、逻辑的虚拟内存空间，简称虚存。\n操作系统把程序当前使用的部分保留在内存，而把其他部分保存在磁盘上，并在需要时在内存与磁盘之间动态交换。支持多道程序设计技术。\n实现虚拟存储器需要以下的硬件支持：\n系统有容量足够大的内存。 系统有一定容量的内存。 最主要的是：硬件提供实现虚-实地址映射的机制。 工作原理：当进程开始运行时，现将一部分程序转入内存，另一部分暂时留在外存但要执行的指令不在内存时，系统自动选择部分内存空间将其中原有的内容交换到磁盘扇区，并释放这些内存空间供其他进程使用。\n交换技术是以进程为单位进行的，进程所需内存大于当前西戎内存，那么该进程就不能在系统中运行。\n虚拟内存一般是以页或段为单位，所以如果一个进程所需内存大于当前系统内存，那么该进程仍然可以在系统中正常运行，因为该进程的一部分可以被还出到外存上。\n虚拟页式存储管理 基本思想 在进程开始运行之前，不是装如全部页面。而是转入一个或零个页面，之后根据进程运行的需要，动态转入其他页面，当内存空间已满，而又需要装入新的页面时，则根据某种算法置换出某个页面，易变装入新的页面。\n在使用虚拟页式存储管理时需要在页表中增加以下表项：\n页号—页面的编号。 有效位—又称驻留位、存在位或中断位，表示该页是在内存还是在外存。 页框号—页面在内存中时所对应的内存块号。 访问位—又称引用位或参考位，表示该页在内存期间是否被访问过。 修改位—表示该页在内存中是否被修改过。 保护位—是否能读写执行。 禁止缓存位—采用内存映射I/O的机器中需要的位。 缺页中断 页面调度策略 虚拟存储器系统通常定义三种策略来规定如如何（或何时）进行页面调度：调入策略、置页策略和置换策略。\n调入策略 什么时候将一个页由外存调入内存中。\n请求调页：只调入发生缺页时所需的页面。这种调入策略实现简单，但容易产生较多的缺页中断，造成对外存I/O次数过多，时间开销过大，容易产生抖动现象。 预调页：在发生缺页需要调入某页时，一次调入该页以及相邻的几个页。提高了调页I/O效率，减少I/O次数。 置页策略 当线程产生缺页中断，内存管理器还必须确定将调入的虚拟页放在物理内存的何处。用于确定最佳位置的一组规则。\n置换策略 如果缺页中断发生时物理内存已经满，“置换策略”被用于确定那个虚拟页面必须从内存中移出，为新的页面腾出空位。\n固定分配局部置换：可基于进程的类型，为每一进程分配固定的页数的空间，在整个运行期间都不会再改变。采用该策略时，如果进程在运行中出现缺页，则只能从该进程的N个页面中选出一个换出，然后再调入一页，以保证分配给该进程的内存空间不变。 可变分配全局置换：先为系统中的每一进程分配一定数量的物理快，操作协同本身也保持一个空闲物理快队列，当某进程发生缺页是，由系统的空闲物理快队列中取出一物理快分配给该进程。但当空闲物理快队列中的物理快用完时，操作系统才从内存中选这一块调出。该块可能是系统中任意一个进程的页。 可变分配局部变量：基于进程的类型，为每个进程分配一定的数目的内存空间。但当某进程发生缺页时，只允许从该进程的页面中选出一页换出，这样就不影响其他进程的运行。 页面置换算法 如果刚被调出的页面又要立即要用，因而又要把它装入，而装入不久又被选中调出，调出不久又被装入，如此反复，使调度非常频繁，这种现象称之为“抖动”或称“颠簸”。\n先进先出页面置换算法FIFO 选择最先装入内存的一页调出，或者说是把驻留在内存中时间最长的一页调出。\n把转入内存的哪些页面的页号按进入的先后次序排好队，每次总是调用队首的页，当装入一个新页面后，把新页面的页号排入队尾。\n把操作系统维护一个所有当前在内存中的页面的链表，最老的页面在表头，最新的页面在表尾。当发生缺页时，置换表头的页面并把新调入的页面加到表尾。\n最近最少使用页面置换算法LRU 在缺页发生时，首先置换掉最长时间未被使用过的页面。\n总是选择距离现在最长时间内没有被访问过的页面先调出。实现这种算法的一种方法是在页表中为每个页增加一个“计时”标志，记录该页面自上次被访问以来的所经历的时间，每个访问一次都应从“0”开始计时。\n计时值最大的那一页调出（即最近一段时间里最长时间没有被使用过的页），此开销比较大。\n最近最不常用页面置换算法LFU 根据在一段时间里页面被使用的次数选择可以调出的页，如果一个页面被访问的次数比较多，则是最常使用的页面，就不应该把它调出。\n每一页设置一个计数器，每当访问一页时就把该页对应的计数器加1，另外，操作系统还要确定一个周期T，在周期T的一段时间内，若没有发生缺页中断，则把所有的计数器清“0”，开始一个新的周期从新计数。若在周期T的时间内发生了缺页中断，则选择计数值最小的那页调出。\n实现要花很大的开销，并且要确定一个合适的周期T也有一定的难度。\n理想页面置换算法OPT 该算法置换以后不再需要的或者在最长时间以后才会用到的页面。\n作为衡量其他页面置换算法优势的一个标准。\n最近未使用页面置换算法NRU 当访问页面（读或写）时设置R位，当写入页面（即修改页面）时设置M位。\n用R位和M位可以构造一个简单的页面置换算法：当启动一个进程时，它的所有页面的两个位都是由操作系统设置为0，定期将R位（比如在每次时钟中断时）清零，以区别最近没有被访问的页面和被访问的页面。\nNRU算法随机地从类编号最小的非空类中挑选一个页面淘汰。在最近一个时钟滴答中（典型的时间为20ms）置换一个没有被访问的已经修改的页面比要置换一个被频繁使用的“干净”页面好。\n优点：易于理解和能够有效地被实现。但性能并不是最好的。\n第二次机会页面置换的算法 FIFO算法可能会把经常使用的页面置换出去。检查进入内存时间最久的页面的R位，如果是0，那么这个页面即老有没有被使用过，可以立刻置换掉；如果是1，就将R位清0，并把该页放到链表的尾部，修改其进入时间，然后继续搜索。\n基本思想：寻找一个从来没有访问过的页面，如果所有的页面都被访问过了，该页面就退化为FIFO算法。\n时钟页面置换算法Clock 把所有的页面都保存在一个类似时钟面的环形链表中，一个表针指向最老的页面。当发生缺页中断时，算法首先检查表针指向的页面，如果他的R位为0，就置换这个页面，并把新的页面插入到这个位置，然后把表针前移一个位置，如果是R位是1，就清楚R位并把表指针前移一个位置，重复这个过程直到找到一个R位为0的页面为止。\n缺页中断率 假设一个程序共有n页，系统分配给它的内存块是m块（m、n均为正整数，且1<=m<=n）。该程序最多有m页可以同时装入内存。如果程序执行中访问页面的总次数为A，其中有F次访问的页面尚未装入内存，故产生了F次缺页中断。\nf = F / A\n把f称为“缺页中断率”。\n缺页中断率与缺页中断的次数有关。\n

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