操作系统笔记------存储管理（3）

虚拟存储器

所谓虚拟存储器，是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。
特征：多次性，对换性，虚拟性。

局部性原理

在一段时间内一个程序的执行往往呈现出高度的局部性，表现在时间与空间两方面。
时间局部性：一条指令被执行了，则在不久的将来它可能再被执行；在一段时间内，访问的代码范围是有限的。
空间局部性：若某一存储单元被使用，在一定时间内，与该存储单元相邻的单元可能被使用。

请求分页系统

请求分页系统（页式虚拟存储器，分页请求系统）：在基本分页系统基础上，增加以页面为单位的请求调入和自动置换功能 。

请求分页的页表机制

用于处理页面不在主存，请求分页时的相关操作。请求页表结构：

除了原先的地址映射和存取控制外，还新加了四个字段。
状态位P：表示该页是调入了内存中还是没有调入内存。（由于内存有限，只调入部分，用以标识）
访问字段A：用于记录在一段时间内本页被访问的次数，或记录有多久没有被访问，以供置换算法在选择换出页面时参考。
修改位M：用于记录该页调入内存之后是否被修改过，如果修改了就要将修改的写回外存中，如果没有修改就不用写回，减少开销。
外存地址：指明该页在外存中的地址，用以在调入时参考。

缺页中断机制

在请求分页系统中，如果要访问的页面不在内存中时，便产生缺页中断。
指令执行期间发出中断并响应和处理中断，完成后返回（保证更快的将页数据调入内存），一条指令可能发出多次缺页中断；

地址重定位

与之前的地址映射机制相似，只不过多了一些对于标志位的操作，首先还是先找快表，快表中所有的页表已载入了内存，找到的话，对应修改访问字段，再根据是否修改来修改修改位。如果没有找到就访问页表来查询，根据状态位来判断是否已经载入内存，如果没有就使用缺页中断来将其调入内存中，根据相关的替换算法修改快表和标志位，最后形成物理地址。

最小物理块个数

保证程序正常运行需要的最小物理块个数
由机器指令的结构决定

1. 单字节指令，直接寻址：2块；
2. 单字节指令，间接寻址：3块；
3. 多字节指令，直接寻址：3块；
4. 多字节指令，间接寻址：4块；

进程的工作集 :驻留在物理内存中的虚拟页面的子集。

工作集大小的变化：进程开始执行后，随着访问新页面逐步建立较稳定的工作集。当内存访
问的局部性区域的位置大致稳定时，工作集大小也大致稳定；局部性区域的位置改变时，工
作集快速扩张和收缩过渡到下一个稳定值。

内存分配

物理块分配策略

1. 固定分配局部置换：为进程分配物理块；在进程运行期间，物理块个数不变；新页面，只能置换入该进程已经分配的物理块；但是物理块个数难以指定；
2. 可变分配全局置换：为进程分配物理块；在进程运行期间，物理块个数随时变化；新页面，在全局范围内置换物理块（用空闲块就将其分配给需要的进程，并调入页面，如果内存都占满了就随机取一个进程中的页调出（全局），该进程缺页率增大）；但是进程之间的执行互相影响，页面“抖动”。
3. 可变分配局部置换：为进程分配物理块；在进程运行期间，物理块个数可变化；新页面，在该进程已经分配物理块内置换；避免物理块初始设置不合理的难题；引入缺页率，保证：低限阈值 <= 缺页率 <= 高限阈值，缺页高了就在调几块给进程，缺页率低了就收回几块，保证在阙值之间。

物理块分配算法

1. 平均分配：将物理块平均分配给进程，但是忽略了各个进程的不同情况。
2. 按比例分配：按进程使用的页面数占总体的比例来分配物理块数量。
3. 加权分配：一种是将物理块分为两类一类直接均分，另一类根据进程的优先权或者运行的紧迫程度来分；还有一种就是直接按照进程的优先权和运行的紧迫程度分，优先级高的，运行急迫的分到的块多一点。

调入策略（何时）：
预先调页：一次调入多个页面；减少后期I/O；
请求式调页：需要时，调入；
调入策略（何处）：外存对换区（对换区足够，提高速度）；文件区（对换区不够）；UNIX方式：没运行过的存储在文件区(第一次运行时调入)，运行过的存储在对换区(下次调入时由此进行调入)；

置换算法

缺页率=缺页置换次数/页面访问总数*100%

最佳置换

选择以后再也不用的页面；没有的话，选择以后最长时间不用的页面进行置换；
但是无法实现，因为页面的访问顺序无法预知，仅具有理论意义。

先进先出置换(FIFO)

基于程序的顺序执行特点，选择到达内存最早的页面，予以淘汰并置换；
页面在内存中按时间排序；但是效果不佳（程序不是严格顺序执行）；

最近最久未使用置换(LRU)

基于程序运行的局部性原理；选择最近以来最久未使用的页面，予以淘汰并置换；
通过移位寄存器，栈实现，调度性能较好。
移位寄存器实现记录：每个物理块设置一个移位寄存器，初值为0；访问一次页面，高位置1定时（100ms)将所有物理块的移位寄存器右移1位，高位补0；选择移位寄存器数值最小的物理块，淘汰其中页面。

请求分段系统

请求分段系统（段式虚拟存储器，分段请求系统）：在基本分段系统基础上，增加以分段为单位的请求调入和自动置换功能 。

请求分段的段表机制

除了基本的段号与段基地址，段长与存取控制外还设置了五个控制位。
存在位P：描述该段是否调入了内存。
访问字段A：用于描述最近该段数据的访问情况，便于在置换时参考。
修改位M：用于描述该段在进入内存后是否进行了修改。
增补位：用于记录该段在运行中是否有过动态增长。
外存地址：对应段在外存中的地址（起始盘号）。

缺段中断机制

当访问的段不在内存中时提出缺段中断请求。在指令执行期间，发出中断并响应和处理中断（保证更快的将段数据调入内存），返回，一条指令可能发出多次缺段中断；

由于段的空间大小不想页空间那样定长，所以实现要比缺页中断困难。

地址重定位

分段共享与保护

共享段表：记录了分段信息，共享该分段进程的信息(存取控制，进程数量count，段号)。被共享分段可由各进程以不同方式（存取控制，段号）共享。
分配算法：
a)检索共享分段，如果共享分段存在转c) ；
b)创建共享段表的段表项，填写分段信息，分配相应内存并调入分段;
c)记录本进程信息到共享段表的段项,count+1；
d)复制共享段表的段表项相应信息（段基址、段长、存取控制）到进程段表；
进程段表（私有段表）：与前面所述共享段表相同在进程内部（私有）；
回收算法：
a) 撤消进程时，将所有该进程共享之分段的count-1 ；
b) 当某分段count =0时，回收该分段所占据内存；

段页式虚拟存储器

段页式虚拟存储器：在段页式系统基础上，增加以分页为单位的请求调入和自动置换功能 。