[操作系统笔记]虚拟内存

内容系听课复习所做笔记，图例多来自课程截图

传统存储管理方式的特征与缺点

传统存储管理方式包括：

• 连续分配
  • 单一连续分配
  • 固定分区分配
  • 动态分区分配
• 非连续分配
  • 页式
  • 段式
  • 段页式

它们的特点有：

• 一次性
• 驻留性

一次性是指作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：

1. 作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行
2. 当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。

驻留性是指一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运荐和这就等致内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。（例子是玩游戏，现在只需要A场景的资源，没必要加载B场景）

基于局部性原理提出了虚拟存储器作为解决方案

局部性原理

时间局部性:如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行;如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。（因为程序中存在大量的循环)

空间局部性:一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。(因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的）

int i = 0;
int a[100];
while(i <= 0){
    
    
	// 例如这个循环里的指令会被频繁的访问到
	// 空间局部性就是比如这里的数组元素的访问、这里语句对应的指令
	a[i] = i;
	i++;
}

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。

在程序执行过程中：

• 当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。
• 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的数据换出到外存。

基于此，操作系统需要有请求调页+页面置换功能（或请求调段+段置换）

特点

在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存，它具有三大特征：

• 多次性：无需作业在运行时一次性全部装入内存，而是允许分为多次调入内存
• 对换性：作业在运行时无需一直常驻内存，而是允许作业在运行过程中，将作业换入换出
• 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的容量远大于实际的容量

虚拟内存建立在离散分配的基础上

从这个角度看，传统的非连续分配管理是操作系统管理虚拟地址与物理地址之间关系的方式之一。

虚拟内存技术与传统的非连续分配管理的区别在于前者允许程序不全装入内存（只装一部分）

虚拟内存有虚拟地址，虚拟地址到物理地址的映射由操作系统完成。

请求分页管理方式

[操作系统笔记]请求分页管理方式

页面置换算法

[操作系统笔记]页面置换算法

页面分配策略

驻留集：请求分页存储管理中分配给进程的物理块的集合（在采用虚拟存储技术的系统中，驻留集大小一般小于进程的总大小）

系统为某个进程分配了n个物理块=某进程驻留集大小为n

驻留集的两种极端情况：若某进程共有100个页面

• 该进程驻留集大小为100时可以全部放入内存（运行期间不会缺页）
• 驻留集大小为1，则进程运行期间必定频繁缺页

因此驻留集太大会使多道程序并发度下降，而驻留集太小则系统要花费大量时间来处理缺页（相应的用于进程推进的）。因此选择一个合适的驻留集大小很重要

为此有两种分配策略，即固定分配和可变分配：

• 固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变
• 可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间可根据情况做适当的增加或减少

固定/可变分配：根据进程在运行时的驻留集大小是否可变来区分

对于页面置换范围，又分为局部置换和全局置换

• 局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换
• 全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程

全局/局部置换：根据发生缺页时是否只能从进程自己的页面置换来区分

页面分配、置换策略分为三种：

1. 固定分配局部置换 进程在运行前就分配好一定的物理块，在发生缺页时只能从自己的物理块中换出

2. 可变分配局部置换 缺页率高就多分配一些物理块；缺页率低就回收一些物理块，直到缺页率合适

3. 可变分配全局置换 发生缺页就分配新的物理块，可能来自空闲的物理块，也可能是换出别的进程的页面

固定分配不存在全局置换（全局置换必然意味着大小可变）

某些块过于重要会被系统锁定，如某些内核数据，只有未锁定的页面才能置换

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• 可变分配全局置换：只要缺页就分配新的物理块
• 可变分配局部置换：要根据缺页的频率来动态地增加或减少物理块

何时调入页面/调页时机：

• 欲调页策略：一般用于进程运行前
• 请求调页策略：一般用于进程运行中，缺页中断时再调页

预调页策略：根据局部性原理（主要是空间局部性），一次调入若干个相邻的页面可能比一次调入一个页面更高效。但如果提前调入的页面中大多数都没被访问过，则又是低效的。因此可以预测不久之后可能访问到的页面，将它们预先调入内存，但目前预测成功率只有50%左右。故这种策略主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些部分。

请求调页策略：进程在运行期间发现缺页时才将所缺页面调入内存。由这种策略调入的页面一定会被访问到，但由于每次只能调入一页，而每次调页都要磁盘I/O操作，因此I/O开销较大。

从何处调入页面：

1. 系统拥有足够的对换区空间：页面的调入、调出都是在内存与对换区之间进行，这样可以保证页面的调入、调出速度很快。在进程运行前，需将进程相关的数据从文件区复制到对换区。
2. 系统缺少足够的对换区空间：凡是不会被修改的数据都直接从文件区调入，由于这些页面不会被修改，因此换出时不必写回磁盘，下次需要时再从文件区调入即可。对于可能被修改的部分，换出时需写回磁盘对换区，下次需要时再从对换区调入。
3. UNIX方式：运行之前进程有关的数据全部放在文件区，故未使用过的页面，都可从文件区调入。若被使用过的页面需要换出，则写回对换区下次需要时从对换区调入。

抖动(颠簸)现象：页面频繁的换入换出

刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够）

为进程分配的物理块太少，会使进程发生抖动现象。为进程分配的物理块太多，又会降低系统整体的并发度，降低某些资源的利用率

为了研究为应该为每个进程分配多少个物理块，Denning提出了进程“工作集”的概念

驻留集：指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合。
工作集：指在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。

工作集大小可能小于窗口尺寸，实际应用中，操作系统可以统计进程的工作集大小，根据工作集大小给进程分配若干内存块。如：窗口尺寸为5，经过一段时间的监测发现某进程的工作集最大为3，那么说明该进程有很好的局部性，可以给这个进程分配3个以上的内存块即可满足进程的运行需要。

一般来说，驻留集大小不能小于工作集大小，否则进程运行过程中将频繁缺页。

拓展：基于局部性原理可知，进程在一段时间内访问的页面与不久之后会访问的页面是有相关性的。因此，可以根据进程近期访问的页面集合（工作集）来设计一种页面置换算法――选择一个不在工作集中的页面进行淘汰。

内存映射文件

内存映射文件是操作系统向上层程序员提供的功能（系统调用）

• 方便程序员访问文件数据
• 方便多个进程共享同一个文件

内存映射进虚拟地址空间后实际上是处于缺页的状态，用到的时候才会调入