第三章.2节 虚拟内存

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（PS：个人课下整理的操作系统笔记，OneNote直接拷贝过来的，图片看不了就将就一下，配合张伟老师的PPT看效果更好）

一、背景

1.虚拟内存：是指具有请求调页与页置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的系统

2.

二、按需调页（Demand paging）

• Bring a page into memory only when it is needed.
• Page is needed ： reference to it（有效位是0的情况）
  1. invalid reference ： abort
  2. not-in-memory ： bring to memory
• 按需调页系统类似于：交换+分页系统
• 惰性交换（Lazy swap）：开始时进程驻留在二级存储器上，只有在需要页的时候，才将它调入内存。
• 页错误（Page fault）：页在后备存储（磁盘）而不在内存中
• 处理页错误的步骤：

1. 检查进程的页表，以确定该引用是合法还是非法的地址访问。
2. 如果引用非法，那么终止进程。如果引用有效但是尚未调入页面，那么现在应调入。
3. 找到一个空闲帧。
4. 调度一个磁盘操作，以便将所需要的页调入刚分配的帧。
5. 当磁盘读操作完成后，修改进程的内部表和页表，以表示该页已在内存中。
6. 重新开始因非法地址陷阱而中断的指令。进程现在能访问所需的页，就好像它似乎总在内存中。

• 页置换（Page replacement）：内存中没有空闲帧，需要找一个牺牲帧的方案

• 按需调页的性能影响因素：
• 页错误的主要时间：处理页错误中断、读入页、重启进程

 

三、进程创建（Process creation）

1.虚拟内存带来的用于提高 进程创建和运行性能 的技术：写时拷贝(copy on write，COW)和内存映射文件(Memory-mapped files)

1. 写时拷贝：允许父进程和子进程开始时共享同一页面，不管是父进程还是子进程，要修改共享数据区域，要copy出来修改
2. 内存映射文件——允许虚拟内存与一部分文件逻辑相关联

 

四、页置换（Page replacement）：从满内存中找到牺牲帧

1.过度分配：通过页置换技术增加多道程序的度，导致所有进程页的和大于实际内存帧的现象

2.基本页置换方法：

1. 查找所需页在磁盘上的位置。
2. 查找一空闲帧：
   1. 如果有空闲帧，那么就使用它；
   2. 如果没有空闲帧，那么就使用页置换算法以选择一个牺牲帧。
   3. 将牺牲帧的内容写到磁盘上；改变页表和帧表。
3. 将所需页读入（新）空闲帧；改变页表和帧表。
4. 重启用户进程。

3.可以通过修改脏位（dirty bit）来降低开销，当牺牲帧被写进磁盘，置1.

4.置换算法的评估：针对特定内存引用串（内存的引用序列）运行置换算法，计算发生页错误的数量

• 如何找到引用串：仅需找到页号即可，相邻的相同页号的访问不会发生页错误
   

如果页大小是100B，则得到以下引用串

1，4，1，6，1，6，1，6，1，6，1（已去掉相邻相同页号的连续访问，因为一定不会发生页错误）

5.随着帧数量增加，发生页错误数量越少。

6.页置换算法——FIFO算法，当必须置换时，将选择之前最旧的页作为牺牲帧

看下面的蓝色长方格往前看最远的

• 会出现Belady 异常（Anomaly）：对于一些页置换算法，随着帧数量增加，页错误率也有可能增加（FIFO就是一个很好的例子）

7.最优置换算法（Optimal Algorithm）——找到未来最长时间不用的帧，肯定不会有Belady异常

• 该算法页错误率最低，但是无法预测未来

• 找到未来最长时间不使用的帧。（往后看内存已有帧在之后何时第一次被访问，找出访问时间最远的当作牺牲帧）

8.最近最少使用算法（Least Recently used,LRU）——置换出最近使用最少的帧，也不会有Belady异常

往前看，看上方的访问序列。

• LRU的实现，记录每个页的上次使用时间，每访问一个页，把它放到栈顶，如果有新元素，则往下压掉最底的那个元素则是牺牲帧
• LRU算法之一——引用位策略（没被访问置0，访问置1）
  • 很少有计算机系统能提供足够的硬件来支持真正的LRU页置换。然而，许多系统都提供引用位的支持，页表中的每一项都关联着一个引用位。
  • 当8位都填满了，可根据十进制大小，谁小换谁牺牲
• LRU算法之二——二次机会策略，会让常用帧一直驻留在内存中

 

• 即引用位是1的有一次免死金牌，会选择下一个是0的。

 

五、帧分配（Allocation of frames）

（PS：帧——是内存中可以使用具有固定大小的内存块）

1.两种主要的分配方式：

• 固定分配（Fixed allocation）
• 基于优先级的分配（priority allocation）——从别的低优先级的进程中选择一个帧置换，高优先级进程多分配些帧。
• 从别的进程找牺牲帧，则要用到全局置换策略

 

六、颠簸（Trashing）

1.颠簸：由于全局页置换（A进程抢B进程的帧，B进程抢C进程的帧）导致所有进程都在磁盘的等待队列去等待,去抢占别的进程的页，造成CPU利用率几乎为０，操作系统会误以为没有进程在运行，于是继续调入新的进程，导致多道程序度过大。

2.结果：计算机的崩溃

3.产生颠簸的原因之一：多道程序的度过大（并发运行的进程数）

4.当N个进程局部内存之和>物理内存容量，一定发生颠簸

5.工作集合模型

 

 

 

七、其他考虑

1.欲调页（prepaging）：在进程一开始，把所有进程的局部全部加载到内存中

2.页大小的选择标准：从TLB和IO overhead来看，页越大越好

从碎片和Locality来看，页越小越好

3.怎样来提高TLB范围？（TLB范围，通过TLB能访问的内存量）

• TLB Reach = (TLB Size) X (Page Size)，一般只有增加页大小来增加TLB范围