1、5.5.2 简单段式(simple segmentation),返回,页式管理是把内存视为一维线性空间；而段式管理是把内存视为二维空间，与进程逻辑相一致。,简单段式管理的基本原理,1、分段 将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，程序加载时，分配其所需的所有段（内存分区），这些段不必连续；物理内存的管理采用动态分区。需要CPU的硬件支持。,程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，如代码段、数据段、共享段。 方便编程，可以分别编写和编译 LOAD 1, A | STORE 1, B | 可以针对不同类型的段采取不同的保护 可以按段为单位来进行共享，包括通过动态链接进行代
2、码共享 动态链接 动态增长，便于改变进程占用空间的大小 缺点： 进程全部装入内存。,2. 简单段式管理的数据结构,进程段表：描述组成进程地址空间的各段，可以是指向系统段表中表项的索引。每段有段基址(base address)和段长度 系统段表：系统内所有占用段 空闲段表：内存中所有空闲段，可以结合到系统段表中,3. 简单段式管理的地址变换,段式地址变换举例,5.5.3 页式管理和段式管理的比较,分页是出于系统管理的需要，分段是出于用户应用的需要。 一条指令或一个操作数可能会跨越两个页的分界处，而不会跨越两个段的分界处。 页大小是系统固定的，而段大小则通常不固定。 逻辑地址表示： 分页是一维的，
3、各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间； 分段是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。 通常段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。,返回,页式管理与段式管理的比较,第六章 虚拟存储器(VIRTUAL MEMORY),6. 1 局部性原理 6. 2 虚拟存储器的原理 6.3 虚拟存储技术的种类 6.4 存储保护和共享 6. 5 虚拟存储的调入策略、分配策略和清除策略 6. 6 置换算法 6. 7 虚拟存储中的负载控制,返回,6.1 局部性原理,局部性原理(principle of locality)：指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
4、的操作数地址，分别局限于一定区域。还可以表现为： 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期内； 空间局部性：当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的数据都集中在一个较小区域内。,返回,局部性原理的具体体现 程序在执行时，大部分是顺序执行的指令，少部分是转移和过程调用指令。 过程调用的嵌套深度一般不超过5，因此执行的范围不超过这组嵌套的过程。 程序中存在相当多的循环结构，它们由少量指令组成，而被多次执行。 程序中存在相当多对一定数据结构的操作，如数组操作，往往局限在较小范围内。,6.2 虚拟存储器的原理,在程序装入时，不必将其全部读入到内
5、存，而只需将当前需要执行的部分页或段读入到内存，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或段调出保存在外存上，从而腾出空间存放将要装入的程序以及将要调入的页或段。只需程序的一部分在内存就可执行。,返回,1. 虚拟存储的基本原理,处理机中的存储管理单元,2. 引入虚拟存储技术的好处,大程序：可在较小的可用内存中执行较大的用户程序； 大的用户空间：提供给用户可用的虚拟内存空间通常大于物理内存(real memory) 并发：可在内存中
6、容纳更多程序并发执行； 易于开发：与覆盖技术比较，不必影响编程时的程序结构,3. 虚拟存储技术的特征,离散性：物理内存分配的不连续 多次性 部分交换：与交换技术相比较，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的； 虚拟性（大空间）：通过物理内存和快速外存相结合，提供大范围的虚拟地址空间 总容量不超过物理内存和外存交换区容量之和,6.3 虚拟存储技术的种类,6. 3.1 虚拟页式 6. 3.2 虚拟段式 6. 3.3 段页式,返回,6.3.1 虚拟页式(virtual paging),需要在进程页表中添加若干项 标志位：存在位（present bit，内存页和外存页），修改位(modifie
7、d bit) 访问统计：在近期内被访问的次数，或最近一次访问到现在的时间间隔 外存地址,返回,在简单页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能。,1. 对进程页表的修改,虚拟页式的进程页表,2. 缺页中断 由处理器的地址变换机构产生缺页中断，然后调用操作系统提供的中断处理例程。 3. 缺页率(page fault rate) 缺页率表示“缺页次数 / 内存访问次数”(比率)或“缺页的平均时间间隔的倒数”,6.3.2 虚拟段式(virtual segmentation),需要在进程页表中添加若干项： 标志位：存在位(present bit)，修改位(modified bit/dirty b
8、it)，增长位（该段是否增长过，在虚拟页式中没有该位） 访问统计：如使用位(use bit) 存取权限：如读R，写W，执行X 外存地址 地址变换和缺段中断：指令和操作数必定不会跨越在段边界上,返回,在简单段式存储管理的基础上，增加请求调段和段置换功能。,虚拟段式管理的段表,6.3.3 段页式(combined paging and segmentation),存储管理的分配单位是：段，页 逻辑地址的组成：段号，页号，页内偏移地址。 地址变换：先查段表，再查该段的页表。缺段中断和缺页中断。,返回,是虚拟页式和虚拟段式存储管理的结合。,虚拟段页式管理中的段表和页表,段页式地址变换,6.4 存储保护
9、和共享,存储保护的目的： 保护系统程序区不被用户侵犯（有意或无意的） 不允许用户程序读写不属于自己地址空间的数据（系统区地址空间，其他用户程序的地址空间）,返回,1. 存储保护,由于存储保护检查是针对每个存储访问操作进行的，必须由相应的处理器硬件机构支持。,存储保护类型 界限保护（上界寄存器/下界寄存器或基址寄存器/限长寄存器）：所有访问地址必须在上下界之间；每个进程都有自己独立的进程空间，如果一个进程在运行时所产生的地址在其地址空间之外，则发生地址越界。当程序要访问某个内存单元时，由硬件检查是否允许，如果允许则执行，否则产生地址越界中断，由操作系统进行相应处理。 访问方式保护（保护键）：通过
10、保护键匹配来判断存储访问方式是否合法。对于允许多个进程共享的存储区域，每个进程都有自己的访问权限。如果一个进程对共享区域的访问违反了权限规定，则发生操作越权(即读写保护)。对每个内存区域指定一个键值和若干禁止的访问方式，进程中也指定键值，如果访问时键值不匹配而且是被禁止的访问方式，则出错；,2. 存储分配的安全性考虑,把一个页面分配给进程之前，先要清除页面中的数据（如全部填充为0），以免该进程读取前一进程遗留在页面中的数据；,3. 存储共享,共享段：被连接或被释放一次则对引用计数加1或减1，计数减至0则可将该共享段删除；目的在于进程间的信息交流。 共享页面：在物理页面表中有引用计数。只能共享不
11、被修改的页面。这对用户应用是透明的，完全由操作系统控制，目的在于减少系统内的物理页面总数。,通过引用计数(reference count)来描述存储区的共享，引用计数表示共享它的进程的数目；具体的存储共享方式有两种：,6.5 虚拟存储的调入策略、分配策略和清除策略,请求调页(demand paging)：只调入发生缺页时所需的页面。 优点：容易实现。 缺点：对外存I/O次数多，开销较大 预调页(prepaging)：在发生缺页需要调入某页时，一次调入该页以及相邻的几个页。 优点：提高调页的I/O效率。 缺点：基于预测，若调入的页在以后很少被访问，则效率低。常用于程序装入时的调页。,返回,1.
12、调入策略 (fetch policy),调入策略确定在外存中的页面调入时机。在虚拟页式管理中有两种常用策略。,2. 分配策略 (assignment policy),在虚拟段式管理中，如何对物理内存进行分配，可采用最佳适应、最先适应等。 在虚拟页式和段页式管理中，地址变换最后通过页表进行，因此不必考虑分配策略。,3. 清除策略(cleaning policy),请求清除(demand cleaning)：该页被置换时才调出，把清除推迟到最后一刻。 缺点：调入所缺页面之前还要调出已修改页面，缺页进程的等待时间较长， 预清除(precleaning)：该页被置换之前就调出，因而可以成批调出多个页面
13、。 缺点：可能形成不必要的开销。已修改页面被调出之后仍停留在内存，如果这些页面被置换之前就被再次修改，则这些页面可以返还到进程的常驻集(常驻集指虚拟页式管理中给进程分配的物理页面数目。)，而之前所做的调出操作就成为不必要的开销。这种策略发展成为页面缓冲算法(page buffering)。,在虚拟页式管理中，何时将已修改页面调出到外存上。有两种常用清除策略：,5.6.6 置换算法,功能：需要调入页面时，选择内存中哪个物理页面被置换。称为replacement policy。 目标：把未来不再使用的或短期内较少使用的页面调出，通常只能在局部性原理指导下依据过去的统计数据进行预测； 页面锁定(fr
14、ame locking)：用于描述必须常驻内存的操作系统的关键部分或时间关键(time-critical)的应用进程。实现方法为在页表中加上锁定标志位(lock bit)。,返回,最佳算法(OPT, optimal) 最近最久未使用算法(LRU, Least Recently Used) 先进先出算法(FIFO) 轮转算法(clock) 最不常用算法(LFU, Least Frequently Used) 页面缓冲算法(page buffering),1. 最佳算法(OPT, optimal),选择“未来不再使用的”或“在离当前最远位置上出现的”页面被置换。这是一种理想情况，是实际执行中无法预
15、知的，因而不能实现。可用作性能评价的依据。,2. 最近最久未使用算法 (LRU, Least Recently Used),一个特殊的栈：把被访问的页面移到栈顶，于是栈底的是最久未使用页面。 每个页面设立移位寄存器：被访问时左边最高位置1，定期右移并且最高位补0，于是寄存器数值最小的是最久未使用页面。,选择内存中最久未使用的页面被置换。这是局部性原理的合理近似，性能接近最佳算法。但由于需要记录页面使用时间的先后关系，硬件开销太大。硬件机构如：,3. 先进先出算法(FIFO),选择建立最早的页面被置换。可以通过链表来表示各页的建立时间先后。性能较差。较早调入的页往往是经常被访问的页，这些页在FI
16、FO算法下被反复调入和调出。并且有Belady现象。,Belady现象：采用FIFO算法时，如果对一个进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常现象。 Belady现象的描述：一个进程P要访问M个页，OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时，PE(S, N)时而增大，时而减小。 Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程访问内存的动态特征是矛盾的，即被置换的页面并不是进程不会访问的。,Belady现象的例子,进程P有5页程序访问页的顺序为：1, 2, 3, 4, 1, 2, 5, 1, 2, 3,
17、4, 5；如果在内存中分配3个页面，则缺页情况如下：12次访问中有缺页9次；,缺页：Y Y Y Y Y Y Y Y Y 缺页率：9/12=75%,如果在内存中分配4个页面，则缺页情况如下：12次访问中有缺页10次；,缺页： Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 缺页率： 10/12=83.3%,4. 轮转算法(clock),每页有一个使用标志位(use bit)，若该页被访问则置user bit=1。 置换时采用一个指针，从当前指针位置开始按地址先后检查各页，寻找use bit=0的页面作为被置换页。 指针经过的user bit=1的页都修改user bit=0，最后指针停留在被置换页的下一
18、个页。,也称最近未使用算法(NRU, Not Recently Used)，它是LRU(最近最久未使用算法)和FIFO的折衷。,5. 最不常用算法(LFU, Least Frequently Used),选择到当前时间为止被访问次数最少的页面被置换； 每页设置访问计数器，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1； 发生缺页中断时，淘汰计数值最小的页面，并将所有计数清零；,6. 页面缓冲算法(page buffering),被置换页面的选择和处理：用FIFO算法选择被置换页，把被置换的页面放入两个链表之一。 如果页面未被修改，就将其归入到空闲页面链表的末尾 否则将其归入到已修改页面链表。,它是对
19、FIFO算法的发展，通过被置换页面的缓冲，有机会找回刚被置换的页面；,需要调入新的物理页面时，将新页面内容读入到空闲页面链表的第一项所指的页面，然后将第一项删除。 空闲页面和已修改页面，仍停留在内存中一段时间，如果这些页面被再次访问，只需较小开销，而被访问的页面可以返还作为进程的内存页。 当已修改页面达到一定数目后，再将它们一起调出到外存，然后将它们归入空闲页面链表，这样能大大减少I/O操作的次数。,7. 置换算法举例,某程序在内存中分配三个页面，初始为空，页面走向为4，3，2，1，4，3，5，4，3，2，1，5。,4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 4 4 4 4 4 4 4 4
20、 4 4 4 43 3 3 3 3 3 3 3 2 1 1 2 1 1 1 5 5 5 5 5 5 Y Y Y Y Y Y Y 共缺页中断7次,4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 4 4 4 1 1 1 5 5 5 2 2 23 3 3 4 4 4 4 4 4 1 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 5 Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 共缺页中断10次,LRU:,4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 4 4 4 1 1 1 5 5 5 5 5 53 3 3 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 1 1 Y Y Y Y Y Y Y Y
21、Y 共缺页中断9次,FIFO:,6.7 常驻集和工作集策略,常驻集与缺页率的关系： 每个进程的常驻集越小，则同时驻留内存的进程就越多，可以提高并行度和处理器利用率；另一方面，进程的缺页率上升，使调页的开销增大。 进程的常驻集达到某个数目之后，再给它分配更多页面，缺页率不再明显下降。该数目是“缺页率常驻集大小”曲线上的拐点(curve),或内存要求的临界值，也称工作集。,返回,这里要讨论的问题是分给每个进程多少物理页面，以及如何动态调整各进程的物理页面数。,1. 常驻集(resident set),常驻集指虚拟页式管理中给进程分配的物理页面数目。,2. 抖动问题(thrashing),随着驻留内存的进程数目增加，或者说进程并发水平(multiprogramming level)的上升，处理器利用率先是上升，然后下降。这里处理器利用率下降的原因通常称为虚拟存储器发生“抖动”，也就是：每个进程的常驻集不断减小，缺页率不断上升，频繁调页使得调页开销增大。OS要选择一个适当的进程数目，以在并发水平和缺页率之间达到一个平衡。,
