操作系统原理第九章 虚拟内存

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代码必须转入内存才能运行，但是并不是所有代码都需要装入

局部性原理：一个程序只要部分装入内存就可以运行

9.1 虚拟内存技术

当进程运行时，先将其一部分装入内存，另一部分暂留在磁盘，当要执行的指令或访问的数据不在内存时，由操作系统自动完成将它们从磁盘调入内存执行。

虚拟地址空间：分配给进程的虚拟内存

虚拟地址：在虚拟内存中指令或数据的位置

虚拟内存：把内存和磁盘有机结合起来使用，得到一个容量很大的“内存”，即虚存。但是也要结合电脑本身的地址空间，即32位和64位的影响。32位最大只能为4G，64位可以很大。

写时复制 Copy-on-Write

写时复制允许父进程和子进程在初始化时共享页面

如果一个进程对共享页面进行修改，会产生副本。

9.2 虚拟内存的实现

两种实现方式：

• 虚拟页式（虚拟存储技术+页式存储管理）

• 虚拟段式（虚拟存储技术+段式存储管理）

虚拟页式有两种方式：

• 请求分页（一开始全在外存之中）
• 预调页（预先调一些页）

请求分页

• 进程开始运行之前，不是装入全部页面，而是装入一个或零个页面

• 运行之后，根据进程运行需要，动态装入其他页面

• 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内存中的某个页面，以便装入新的页面

缺页中断

如果对一个页的访问，首次访问该页需要陷入OS 缺页中断（ page-fault trap）

1. 访问指令或数据
2. 查看另一个表来决定:
   2.1 无效引用 => 终止
   2.2 仅仅不在内存
3. 找到页在后备存储上的位置
4. 得到空的页框，把页换入页框
5. 重新设置页表，把有效位设为v
6. 重启指令

缺页中断的处理过程（期末考试）内中断，软中断

请求分页的性能(期末考试)

时间换空间

缺页率：缺页次数 / 总的访问次数 ，缺页的概率。

有效访问时间（EAT）

EAT = （1-p）* 内存访问时间 + p * 页面出错时间

9.3 页面置换

基本的页置换方法：

1. 找到页在磁盘中的位置
2. 查找一空闲框（这里需要处理很多中可能以及策略）
3. 将页写入空闲框，更新页表和帧表
4. 重启用户进程

页面置换算法

FIFO先进先出算法

先进先出算法采用队列实现，对每次要写入的页，先在队列中查找是否有空闲位置，有的话直接将页插入队尾；没有空闲页则查找是否原本就存在这个页，如果存在，则不做任何操作；如果没有，则将队列头部的页挤掉，这个页插入队尾。

Belady异常，更多的页框可能呢会导致更多的缺页（四个页框就比三个要多缺页）

OPT最优置换算法

被置换的页是将来不再需要的或最远的将来才会被使用的页（从当前的页号往后看，哪个不再需要或者最远需要）

作用：作为一种标准来衡量其他算法的性能

LRU最近最少使用算法

往前看，看哪个页号最长时间没被使用，而且在画图更新的时候，最好将最近使用的页面放在最上面，最久使用的放在最后面。

置换最长时间没有使用的页

二次机会算法

需要访问位

如果访问位为0，直接置换

如果将要交换的页访问位是1，则:

​ 把访问位设位0

​ 把页留在内存中

​ 以同样的规则，替换下一个页

实现：时钟置换（顺时针方式）

9.4 系统颠簸

9.4.1 页框分配

必须满足：每个进程所需的最少的页数

两个主要的分配策略

• 固定分配
• 优先级分配

固定分配：

平均分配 –均分法
例：如果有100个页框，和5个进程，则每个进程分给20个页
按比率分配 – 根据每个进程的大小来分配

优先级分配：

根据优先级而不是进程大小来使用比率分配策略

如果进程Pi产生一个缺页

• 选择替换其中的一个页框
• 从一个较低优先级的进程中选择一个页面来替换

9.4.2 颠簸

如果一个进程没有足够的页，那么缺页率将很高，这将导致:

• CPU利用率低下.
• 操作系统认为需要增加多道程序的道数
• 系统中将加入一个新的进程

颠簸（抖动）：一个进程的页面经常换入换出

抖动的原因：进程频繁访问页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够）

工作集模型：

工作集概念：某短时间间隔里，进程实际访问页面的集合。

a 安装更快的CPU 不行

b. 安装更大的分页磁盘 不行

c. 提高多道程度

d. 降低多道程度

e. 安装更多内存

f. 安装更快的硬盘或者具有多个硬盘的多个控制器 有可能

g. 为页面获取算法添加预先调页

9.5 内核内存分配

不同于用户内存

通常从空闲内存池中获取

• 内核需要为不同大小的数据结构分配内存
• 一些内核内存需要连续的物理页模拟

内核在使用内存块时有如下特点：
(1)内存块的尺寸比较小；
(2)占用内存块的时间比较短；
(3)要求快速完成分配和回收；
(4)不参与交换。
(5)频繁使用尺寸相同的内存块，存放同一结构的数据；
(6)要求动态分配和回收。

伙伴系统

Buddy System

主要思想：内存按照2的幂

9.6 其他因素

9.6.1 预调页

在进程启动初期，减少大量的缺页中断

在引用前，调入进程的所有或一些需要的页面

如果预调入的页面没有被使用，则内存被浪费

9.6.2 页面尺寸选择

尺寸选择

• 碎片 – 需要小的页
• 表大小 – 需要大的页
• I/O 开销 – 需要大的页
• 程序局部 – 需要小的页
• 缺页次数 – 需要大的页
• 其他因素

没有最佳答案，总的来说，趋向更大的页

9.6.3 TLB范围

TLB 范围 – 通过TLB所访问的内存量

TLB 范围 = (TLB 大小) X (页大小)

理想情况下，一个进程的工作集应存放在 TLB中

• 否则会有大量的缺页中断

增加页的大小

• 对于不需要大页的应用程序而言，这将导致碎片的增加

提供多种页的大小

• 这允许需要大页的应用程序有机会使用大页而不增加碎片的大小