1、第6章 虚拟存储管理,虚拟存储器的引入,请求页式存储管理,请求段式存储管理,6.1虚拟存储器的引入,前面介绍的存储管理方案要求进程全部装入内存才可运行。但这会出现两种情况： 有的进程因太大，内存装不下而无法运行。 系统中进程数太多，因系统容量有限只能让少数进程先运行。,1968年P.Denning 提出局部性原理（理论基础）：程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分；相应的，它所访问的存储空间也局限于某个区域。程序执行时，大多数情况下是顺序执行的。 过程调用会使程序的执行轨迹从一部分内存区域转至另一部分区域， 但过程调用的深度不会超过5。 程序中有许多循环
2、语句，这些语句会重复多次执行。 程序中对数据结构的操作，往往局限在很小的范围内。,局部性原理,局部性的表现,空间局部性 程序一旦访问某存储单元，不久后会访问其附近的存储单元。 时间局部性 程序中的某条指令一旦执行，不久后会再次执行。 程序中的某个数据结构一旦被访问，不久后会再次被访问。,虚拟存储器,进程运行时，不全部装入内存，仅将当前要运行的那部分装入内存。 当进程访问不在内存的那部分程序和数据时，再将其装入内存。 若此时内存已满，将暂时不用的部分程序和数据换出，腾出空间。,从用户的角度看，系统具有的内存容量比实际大得多， 所以称为 虚拟存储器。,虚拟存储器的定义,虚拟存储器是指具有请求调入功
3、能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。,离散性 （实现虚拟存储器的基础） 进程不装入连续的存储空间，内存分配采用离散分配方式。 多次性 一个进程被分割，多次调入内存。 对换性 进程在运行过程中允许将部分程序和数据换进、换出内存。 虚拟性 （实现虚拟存储器的重要目标） 从逻辑上扩充了内存的容量。,虚拟存储器的特征,状态位P：记录该页是否在内存。P=1该页在内存；P=0该页不在内存。 访问字段A：记录该页多长时间没有被访问。 修改位M：记录该页在内存期间是否被修改过。M=1该页调入内存后被修改过；M=0该页调入内存后未被修改过。 外存地址： 该页在外存的地址。,页表的扩充,6
4、.2请求页式存储管理, 在页式存储管理的基础上，进程的页根据需要请求调入内存，称为请求页式存储管理。,缺页中断机构,缺页中断是一种特殊的中断。主要表现在： 在指令执行期间产生和处理中断信号。 一条指令执行期间，可能产生多次缺页中断。,缺页中断： 当要访问的页不在内存，产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺的页调入内存。,地址变换机构,在页式存储管理基础上增加的功能： 产生和处理缺页中断 从内存换出一页从外存调入一页,请求页式存储管理驻留集管理,驻留集管理包括以下内容： 分配给进程的物理块数 分配策略固定的？还是可变的？ 置换策略局部置换？还是全局置换？,驻留集：在某段时间间隔内，进程要访问的页面
5、集合。,每个进程分配的物理块越少，则内存中进程数越多。 为每个进程分配的物理块数目的减少，则缺页率提高，降低进程的执行速度。每个进程分配的物理块达一定数量后，再增加分配，缺页率不会有明显改善。,分配给进程的物理块数,为每个进程分配多少物理块?,驻留集管理 (分配策略和换出策略),固定分配、局部置换为每个进程分配固定页数的内存空间、且运行过程中不变。当进程缺页时，只能从该进程在内存的几个页面中选出一页换出，然后再调入一页，保证进程的页数不变。 可变分配、全局置换系统开始先为每个进程分配一定数目的物理块。整个系统有一空闲块队列，当某进程缺页时，系统从空闲块队列中选出一块分配给进程。空闲块队列空时，
6、从所有进程的页面中权衡选择一页换出。 可变分配、局部置换进程缺页时，只能从该进程在内存的页面中选出一页换出。若某进程频繁缺页，则再为其分配一些物理块。反之，若某进程缺页率特别低，则减少分配给它的物理块数,请求页式存储管理的调入策略,何时调入页面 请调：发生缺页时，调入内存。 预调：预计要访问的页，提前调入内存。 从何处调入把外存分成两部分：文件区和对换区 进程的所有页面都放在对换区。 只将修改过的页面放在对换区，未改的放在文件区。 首次从文件区调入，换出时放在对换区，以后从对换区调入。,请求页式存储管理的页面置换算法,最佳置换算法OPT 先进先出置换算法FIFO 最近最久未使用置换算法LRU
7、时钟置换算法,目标：把未来不再使用的或短时间内不再使用的页调出。,最佳置换算法OPT,进程访问总页面数为20 结果：缺页9次，页面换出6次。缺页率45。,页面走向,思想置换那些不再使用，或最长时间不使用的页。,先进先出页面置换算法FIFO,进程访问总页面数为20 OPT与FIFO的比较结果： OPT：缺页9次， 页面换出6次。缺页率45 FIFO：缺页15次，页面换出12次。缺页率75,OPT页面走向,FIFO页面走向,思想新进入内存的页被先置换出去。,最近最久未使用LRU页面置换算法,OPT页面走向,LRU页面走向,思想用“过去”的行为预测将来，置换“最近最久未使用”的页。,进程访问总页面数
8、为20 OPT与LRU的比较结果： OPT：缺页9次， 页面换出6次。缺页率45 LRU：缺页12次，页面换出9次。缺页率60,时钟页面置换算法CLOCK, LRU性能较好，但实现困难！因此可用时钟（CLOCK）置换算法。 为每页设一访问位，再将内存中的所有页面链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置1。置换算法在选择一页淘汰时，只需检查其访问位。如果是0，就选择该页换出；如果是1，则重新将其置为0，暂不换出。,CLOCK页面置换算法,除了考虑页面的使用情况外，还要考虑该页是否被修改过。 由访问位A和修改位M组合成下面四种情况的组合： A=0，M=0该页既未被访问过、又未被修改过，是最佳
9、淘汰页。 A=0，M=1该页最近未被访问、但已被修改，可以被淘汰。 A=1，M=0最近已被访问，但未被修改，该页有可能再被访问。 A=1，M=1最近已被访问且被修改，该页可能再被访问。,CLOCK算法执行过程 从当前位置扫描循环队列，寻找类页面。 若步骤失败，开始第二轮扫描，寻找类页面淘汰。并将所经过的页面的访问位置0。 若步骤也失败，重复步骤1，若仍失败，再重复步骤2。,请求页式存储管理系统的性能,正确选择驻留集窗口大小：窗口大小选择得过小，频繁产生缺页中断。窗口大小选择得很大，失去了虚拟存储器的意义。,驻留集： 即在某段时间间隔内，进程实际要访问的页面的集合。,缺页率与物理块数的关系,为进程分配的物理块数应该取该曲线的拐点附近或稍大些。,CPU的利用率与多道程序数的关系,抖动的产生并不是“多道程序的度越高，系统吞吐量越大。”当CPU的利用率达到某一峰值后，若继续增加多道程度，将产生抖动。抖动预防方法加载控制 L=S准则 （产生缺页的平均时间L等于系统处理缺页的平均时间 S）采用局部置换挂起若干进程,抖动：进程的大部分时间都用于页面的换进/换出，而几乎不能完成任何有效工作,P148/ 4 6 7 8,作业,
