第四部分 操作系统-虚拟内存
作者：互联网
一、起因
内存相对于寄存器速度慢，所以内存和寄存器之间有 cache
硬盘比内存容量大，但是速度慢
磁带比硬盘容量还大
计算机系统中，尤其是多道程序运行下内存不够用
二、覆盖技术
1、目标
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
2、原理
- 程序划分为独立程序模块
- 共享内存、分时执行
- 常用功能常驻内存、不常用功能放于外存
3、缺点
覆盖模块从外存装入内存，实际上是以时间延长换取空间节省
三、交换技术
1、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
2、原理
暂时不能运行的程序送到外存
3、存在的问题
- 交换时机的确定：只当内存空间不够或者有不够的危险时
- 交换区的大小：足够存放进程的所有内存映像的拷贝；能对这些内存映像直接存取
- 程序换入时的重定位：动态地址映射
4、与覆盖技术的区别
覆盖：发生在一个程序里，程序员需要手动指定逻辑关系；
交换：发生在程序之间，由操作系统内部完成，不需要程序员设置
四、虚存技术
1、目标
覆盖技术做的更好：由操作系统自动完成
交换技术做的更好：只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换
2、程序的局部性原理
- 时间局部性：连续两次访问集中在一个较短时期
- 空间局部性：访问的数据在较近的区域
3、基本概念
可以在页式或段式内存管理的基础上实现
- 需要执行的部分页面或者段装入到内存
- 执行过程中，将尚未在内存但是须执行的程序调入到内存
- 内存中暂时不使用的页面或段保存在外存
4、基本特征
- 大的用户空间：物理内存和外存相结合
- 部分交换：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
5、实现 —— 虚拟页式存储管理
（1）页表
- 完成逻辑页到物理页帧的映射
（2）虚拟页式存储管理技术
- 在页式存储管理的基础上增加请求调页和页面置换功能
- 运行过程中程序或者要访问的数据不在内存中，则向系统发出缺页中断请求
- 系统在处理这个中断时，将外存中相应页面调入内存，使得程序继续运行
（3）页表表项
- 驻留位：表示该页是在内存还是外存
- 保护位：表示允许对该页做何种类型的访问
- 修改位：该页在内存中是否被修改过（决定是否把它的内容写回外存）
- 访问位：该页面被访问过则设置此位（用于页面置换算法）
（4）缺页中断
（5）后备存储
- 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
五、页面置换算法
1、功能
当缺页中断发生，需要调入新的页面而内存已满时，选择内存中哪个物理页面被置换
2、目标
尽可能地减少页面的换进换出次数（即缺页中断的次数）
3、最优页面置换算法（局部页面置换算法1）
（1）基本思路：距离下一次访问等待时间最长的逻辑页面作为置换的页面
（2）理想情况，可作为其他算法的性能评价的依据
4、先进先出算法 FIFO（局部页面置换算法2）
（1）基本思路
- 选择在内存中驻留时间最长的页面并淘汰之
- 当发生一个缺页中断时，把链首页面淘汰出去，把新的页面添加到链表的末尾
（2）性能较差，并且有 belady 现象
5、最近最久未使用算法 LRU（局部页面置换算法3）
（1）基本思路
选择最久未使用的那个页面，并淘汰之
（2）最优页面置换算法的近似，基于程序的局部性原理
（3）LRU 算法需要记录各个页面使用时间的先后顺序，开销比较大
（4）实现方法
- 系统维护一个页面链表
- 设置一个活动页面栈
6、时钟页面置换算法（局部页面置换算法4）
基本思路：
（1）LRU的近似，FIFO的改进
（2）装入内存页面的页表项的访问位初始化为0，被访问置为1；各个页面组织成环形链表，指针指向最老页面
7、二次机会法
（1）修改 clock 算法，使它允许脏页总是在一次时钟头扫描中保留下来，同事使用脏位和使用位来指导置换
（2）Enhanced Clock algorithm
| used | dirty | used | dirty | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | —> | replace page | |
| 0 | 1 | —> | 0 | 0 |
| 1 | 0 | —> | 0 | 0 |
| 1 | 1 | —> | 0 | 1 |
8、最不常用算法 LFU（局部页面置换算法5）
（1）基本思路
当一个缺页中断发生时，选择访问次数最少的那个页淘汰之
（2）实现方法
对每个页面设置一个访问计数器，每当一个页面被访问时，该页面的访问计数器加一。在发生缺页中断时，淘汰技术值最小的那个页面
（3）LRU和LFU的区别
LRU考察的是多久未访问，时间越短越好；而LFU考察的是访问的次数或频度，访问次数越多越好
9、Belady 现象
（1）现象
在采用 FIFO 算法时，有时会出现分配的物理页面数增加，缺页率反而提高的异常现象
（2）原因
FIFO 算法的置换特征与进程访问内存的动态特征是矛盾的，与置换算法的目标是不一致的（即替换较少使用的页面）
因此，被它置换出去的页面并不一定是进程不会访问的
（3）LRU页面置换算法没有Belady现象
10、LRU、FIFO、Clock 的比较
（1）LRU、FIFO 本质上都是先进先出的思路
（2）LRU 是针对页面的最近访问时间来排序、开销大
（3）FIFO 是针对页面进入内存的时间来排序、开销小
（4）如果一个页面进入内存后没有被访问，那么它的最近访问时间就是它进入内存的时间。即 LRU 退化为 FIFO
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