操作系统（3）—— 覆盖、交换技术和虚存技术

操作系统（3）—— 虚拟内存

本节要学习的知识点如下：

• 虚拟内存的起因
• 覆盖技术
• 交换技术
• 虚存技术

一. 虚拟内存的起因

• 程序规模的增长速度远远大于存储器容量的增长速度
• 理想中的存储器 ：更大、更快、更便宜、非易失性。
• 常用的数据程序放在CPU中便于访问，不常用的放在内存、硬盘中。
• 早期DOS——内存不够用的情况及解决方法
  • 程序太大，超过内存容量，可以采用手动的覆盖技术，只把需要的指令和数据保存在内存中。
  • 程序太多，超过内存容量，可以采用自动的交换技术，把暂时不能执行的程序送到外存中去。
  • 如果想要在有限容量的内存中，以更小的页粒度为单位装入更多更大的程序，可以采用自动的虚拟存储技术。

二. 覆盖技术

• 目标：

  ​ 在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。

• 原理：

  ​ 把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个功能上相对独立的程序模块，那些不会同时执行的模块共享同一块内存区域，按时间先后来运行。

  • 必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存；
  • 可选部分（不常用功能）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要时才装入内存；
  • 不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖，即这些模块共用一个分区。

• 缺点：

  • 由程序员来把一个大的程序划分为若干个小的功能模块，并确定各个模块之间的覆盖关系，费时费力，增加了编程的复杂度；
  • 覆盖模块从外存装入内存，实际上是以时间延长来换取空间节省。

三. 交换技术

• 目标：

  多道程序在内存中时，让正在运行的程序或需要运行的程序获得更多的内存资源。

• 方法：

  • 可将暂时不能运行的程序送到外存 ，从而获得空闲内存空间；
  • 操作系统把一个进程的整个地址空间的内存保存到外存中（换出swap out），而将外存中的某个进程的地址空间读入到内存中（换入swap in）。换入换出内容的大小为整个程序的地址空间。

• 实现中的问题

  • 交换时机的确定：只当内存空间不够或有不够的危险时换出；
  • 交换区的大小：必须足够大以存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝；必须能对这些内存映像直接进行存取；
  • 程序换入时的重定位：换出后再换入的内存位置可能发生变化，因此最好采用动态地址映射的方法。

覆盖与交换的比较

• 覆盖只能发生在那些相互之间没有调用关系的程序模块之间。因此程序员必须给出程序内的各个模块之间的逻辑覆盖结构。
• 交换技术是以在内存中的程序大小为单位进行的，它不需要程序员给出各个模块之间的逻辑覆盖结构。
• 换言之，交换发生在内存中程序与管理程序或操作系统之间，而覆盖则发生在运行程序的内部。

四. 虚存技术——虚拟内存管理技术

• 虚拟内存 = 物理内存 + 硬盘

• 目标

  • 像覆盖技术那样，不是把程序的所有内容都放在内存中，因而能运行比当前的空闲内存空间还要大的程序。但做的更好，由操作系统自动来完成，无需程序员的干涉。
  • 像交换技术那样，能够实现进程在内存和外存之间的交换，因而能获得更多的空闲内存空间。但做的更好，只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换。

• 程序的局部性原理

  ​ 程序在执行过程中的一个较短时期，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。该原理表明，理论上说，虚存技术可以实现并达到满意效果。

  • 时间局部性：一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短时间内；
  • 空间局部性：当前指令和临近的几条指令，当前访问的数据和临近的几个数据都集中在一个较小区域内。
  • 例，访问n×n的矩阵，按列访问会产生n×n次缺页中断，但按行访问只产生n次缺页中断。

• 虚存技术可以在页式或段式管理的基础上实现。

  • 在装入程序时，不必将其全部装到内存中，而只需将当前需要执行的部分页面或段装入内存，就可让程序开始执行；
  • 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则由处理器通知操作系统将相应的页面或段调入到内存，然后继续执行程序；
  • 另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的页面或段调出保存在外存上，从而腾出更多空间存放将要装入的页面或段。

• 虚存技术的基本特征

  • 大的用户空间：通过把物理内存与外存相结合，提供给用户的虚拟内存空间通常大于实际的物理内存，即实现了这两者的分离。如32位的虚拟地址理论上可访问4GB，而计算机上可能仅有256M物理内存，但硬盘容量大于4GB。
  • 部分交换：与交换技术相比，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的。
  • 不连续性：物理内存分配的不连续，虚拟地址空间使用的不连续性。

• 虚存技术的具体实现——虚拟页式内存管理

  页表完成逻辑地址（页）与物理地址（帧）的映射。大部分虚拟存储系统都采用虚拟页式内存管理技术，即在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能。

  页表项增加的几个位：

  • 驻留位：表示该页实在内存还是在外存。如果该位等于1，表示该页位于内存当中，表示该页表项是有效的，可以使用；如果该位等于0，表示该页在外存中，如果访问该页表项，导致缺页中断。
  • 保护位：表示允许对该页做何种类型的访问，如只读、可读写、可执行等。
  • 修改位：表明此页在内存中是否被修改过，当系统回收该物理页面时，根据此位来决定是否把它的内存写回外存。
  • 访问位：如果该页面被访问过，则设置此位，用于页面置换算法。

• 后备存储（Backing Store），又称二级存储

  • 在何处保存未被映射的页？
    • 能够简单的识别在二级存储器中的页
    • 交换空间（磁盘或文件）：特殊格式，用于存储未被映射的页面
  • 后备存储的部分
    • 一个虚拟地址空间的页面可以被映射到一个文件（在二级存储中）的某个位置；
    • 代码段：映射到可执行二进制文件；
    • 动态加载的共享库程序段：映射到动态调用的库文件；
    • 其他段：可能被映射到交换文件。

• 虚拟内存性能

  为了便于理解分页的开销，使用有效存储器访问时间 EAT（Effective memory access time）；

  EAT = 访存时间 × 页表命中几率 + page fault处理时间 × page fault几率