计算机操作系统第五章 虚拟存储器 复习笔记

1 常规存储管理方式的特征

1.一次性：作业必须一次性全部转入内存才能运行
2.驻留性：装入内存后，整个作业都驻留在内存中，在完成前，任何部分都不能换出

1.1 虚拟存储器 ：

指具有请求调入功能和置换功能，能够从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统

1.2 理论基础：

程序在执行过程中的一个较短时间内，所执行的指令地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域。
1.时间局部性
2.空间局部性

1.3 特征：

1.多次性
2.对换性
3.虚拟性

2.请求分页存储管理方式

2.1 硬件支持

2.1.1 请求页表数据结构

页号	物理块号	状态位P	访问字段A	修改位M	外存地址

1.状态位（P）：指示是否已调入内存
2.访问字段（A）：记录本业在一段时间的访问次数
3.修改位（M）：标识该页调入内存后是否被修改过

2.1.2 地址变换机构流程图

2.2 请求分页中的内存分配

2.2.1 最小物理块数:

能保证进程正常运行所需的最小物理块数

2.2.2 内存分配策略

1.固定分配局部置换：为每个进程分配一组固定数目的物理块，当缺页率较高时，也不再分配更多物理块
2.可变分配全局置换：先为系统中的每个进程分配一定数目的物理块，而OS也保持一定数目的物理块队列，当发生缺页时，则从系统总分配一块新的空闲物理块
3.可变分配局部置换：为每个进程分配一定数目的物理块，当缺页率较高时，需为该进程分配若干附加物理块

2.2.3 物理块分配算法

1.平均分配算法
2.按比例分配算法
3.考虑优先权分配算法

2.3 页面调入策略

2.3.1 何时调入页面

1.预调页策略：需要调入某页时，一次调入该页及相邻的几个页
2.请求调页策略：只调入发生缺页时所需的页面

2.3.2 从何处调入页面

1.系统拥有足够的对换空间，全部从对换区调入
2.系统缺少足够的对换区，不会被修改的从文件区调入；修改后被换出的页面放入对换区，以后从对换区调入
3.UNIX方式：未运行过的页面从文件去调入，运行过被换出的页面从对换区调入

2.3.2 缺页率

f=F/A

1.F：访问页面失败的次数
2.A：访问页面成功的次数

2.4 请求分系统评价

2.4.1 优点

1.有效的缓解了碎片问题
2.提供了大容量的多个虚拟存储器
3.作业地址空间不再受实际存储容量的限制
4.有利于运行多道程序

2.4.2 缺点

1.增加了成本
2.缺页中断增加了处理机时间的开销
3.页面淘汰算法选择不当，可能发生抖动现象

2.5 页面置换算法

2.5.1 最佳置换算法（OPT）

概述：具有最好的性能，但实际无法实现，通常作为标准来评价其他算法的优劣。

选择所淘汰的页面是以后不再使用，或者未来很长时间不被访问的页面

示例图

2.5.2 先进先出（FIFO）页面算法

概述：最直观的算法，但性能可能是最差的

选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰

示例图

2.5.3 最近最久未使用（LRU）算法

概述：性能最接近最佳算法，硬件开销大

需要的硬件机构（二者选其一）

1.移位寄存器：进程第一次访问页面时，将相应寄存器的最高位置为1，每隔一段时间，将寄存器右移一位，那么具有最小值的寄存器所对应的页面，就是最近最久未使用的页面
2.特殊的栈：把被访问的页面移到栈顶，于是栈底就是最久未使用的页面

示例图

2.5.4 最少使用（LFU）算法

选择在最近时期使用最少的页面最为淘汰页

硬件机制

每次访问页面时，便将移位寄存器的最高位置1，每隔一段时间，将寄存器右移一位，这样，在一段时间内移位寄存器数值最小的页面将是最少使用页面

2.5.5 简单Clock置换算法

又把该算法成为最近未使用算法或NRU

为每页设置一个访问位，再将所有的页面连接成循环队列，被访问时，访问位置1，在淘汰时，检查访问位是否为0，若是则换出，若为1，则访问位置0，按照FIFO继续检查下一个，直到查到访问位为0的页

2.5.6 改进型Clock置换算法

除了考虑页面使用情况，还需考虑置换代价，因此增加了修改位M，和访问位组合为四种类型

1类（A=0， M=0）：表示该页最近既未被访问，又未被修改过，最佳淘汰业
2类（A=0， M=1）：表示该页未被访问，但也被修改，不是很好的淘汰页
3类（A=1， M=0）：表示该页已被访问，但未被修改
4类（A=1， M=1）：表示该页已被访问，也被修改

访问

第一步：从当前位置开始，查找A=0且M=0的第一类页面，将遇到的第一个页面作为淘汰页
第二步：若第一步失败，继续查找A=0且M=1的第二类页面，所遇到的第一个页面作为淘汰页，这一轮将所有的访问位A置0
第三步：若第二轮失败，则进行第一步，若仍失败，进行第二步，则必然能够找到淘汰页

2.5.7 页面缓冲算法（PBA）

采用可变分配全局置换的方法
如果一个淘汰页未被修改，则将他放入空闲链表中；如果页面被修改过，则放入已被修改的链表中。
当读入页面时，则放在第一个链表块中，淘汰时则将它放到链表尾部，当淘汰页达到一定数量时，再将链表全部换回（写回）外存

此算法减少了i/o操作

2.6 抖动与工作集

2.6.1 抖动

原因

如果系统中的进程太多，分配给每个进程的物理块太少，则会频繁的发生换页，导致大部分时间都浪费在i/o中，CPU的利用率趋近于0

预防方法

1.采取局部置换策略
2.把工作集算法融入到处理机调度中
3.利用L=S准则调节缺页率
4.选择暂停的进程

2.6.2 工作集

定义

指在某段时间间隔内，进程访问页面的集合