1、5.6 虚拟存储器(VIRTUAL MEMORY),5.6.1 局部性原理 5.6.2 虚拟存储器的原理 5.6.3 虚拟存储技术的种类 5.6.4 存储保护和共享 5.6.5 虚拟存储的置换算法,5.6.1 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。可以 表现为： 1、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 (一条指令被执行，则在不久的将来它可能再被执行) 2、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。（若 某一存储单元被使用，则
2、在一定时间内，与该存储单元 相邻的单元可能被使用),返回,一、局部性原理(principle of locality),1、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。 2、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。 3、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。 4、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。,二、局部性原理的具体体现,5.6.2 虚拟存储器的原理,1、在程序装入时，不必将其全部读入到内存，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。 2、在程序执行
3、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。 3、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。只需程序所需的一部分在内存就可执行。,返回,一、 虚拟存储的基本原理,二、 引入虚拟存储技术的好处,1、大程序：可在较小的可用内存中执行较大的用户 程序； 2、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)； 3、并发：可在内存中容纳更多程序并发执行； 4、易于开发：与覆盖技术比较，不必影响编程时的
4、 程序结构；,三、虚拟存储技术的特征,1、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（数据段和栈段之间的空闲空间，共 享段和动态链接库占用的空间） 2、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； 3、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,5.6.3 虚拟存储技术的种类,5.6.3.1 虚拟页式 5.6.3.2 虚拟段式 5.6.3.3 段页式 5.6.3.4 段页式习题,返回,5.6.3.1 虚拟页式(virtual paging),返回,在简单页式存储管理的基础上，增加请
5、求调页和页面置换功能。,在进程开始运行之前，不是装入全部页面， 而是装入一个或零个页面，之后根据进程运行的 需要，动态装入其它页面；当内存空间已满，而 又需要装入新的页面时，则根据某种算法淘汰某 个页面，以便装入新的页面。,一、基本工作原理,二、对进程页表的修改,需要在进程页表中添加若干项 1、标志位：存在位（present bit，或驻留位，内存 页和外存页），修改位(modified bit) 2、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 3、外存地址,虚拟页式的进程页表,三、缺页中断,1、缺页中断的处理过程,（1）在地址映射过程中，在页表中发现所要访问的页不在内存
6、，则产生缺页中断。 （2）操作系统接到此中断信号后，就调出缺页中断处理程序，根据页表中给出的外存地址，将该页调入 内存，使作业继续运行下去。,（3）如果内存中有空闲块，则分配一页，将新调入 页装入内存，并修改页表中相应页表项目的驻留位 及相应的内存块号。 （4）若此时内存中没有空闲块，则要淘汰某页，若 该页在内存期间被修改过，则要将其写回外存。,2、缺页中断的特殊性,（1）缺页中断在指令执行期间 产生和进行处理，而不是在一 条指令执行完毕之后。所缺的 页面调入之后，重新执行被中 断的指令。 （2）一条指令的执行可能产生 多次缺页中断，如:swap A,B， 指令本身和两个操作数A, B都 跨越
7、相邻外存页的分界处，则 产生6次缺页中断。,四、虚拟页式管理分类,1、请求页式当需要执行某条指令而又发现它不在内存时， 或当执行某条指令需要访问其他的数据或指令时， 这些指令和数据不在内存中，从而发生缺页中断 （主要讨论）。 2、预调入系统对那些在外存中的页进行调入顺序计算， 估计出这些页中指令和数据的执行和被访问的顺 序，并按此顺序将它们顺次调入和调出内存。,五、虚拟页式管理的优缺点,1、优点 由于它不要求作业或进程的程序段和数据在内存中连续存放，消除了碎片问题 实现了虚存 2、缺点 要求有硬件支持 增加了系统开销，如缺页中断处理 请求调页的算法如选择不当，由可能产生抖动现象 每个作业和进程
8、的最后一个页内总有由一部分空间得不到利用，如果页面较大，则这已部分得损失仍然较大。,5.6.3.2 虚拟段式(virtual segmentation),需要在进程段表中添加若干项： 标志位：存在位(present bit)，修改位(modified bit/dirty bit)，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,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。,一、段表,虚拟段式管理的段表,二、动态地址变换,三、段式管理的优缺点,1、优点 可以实现虚存 段长可以动态增加（可以吸收新数据
9、） 便于对具有完整逻辑功能的信息段进行共享 便于实现动态链接 2、缺点 每个段的长度受可用内存区大小的限制 需要更多的硬件支持,5.6.3.3 段页式(combined paging and segmentation),1、存储管理的分配单位：段，页 2、逻辑地址的组成：段号，页号，页内偏移地 址，程序员可见的仍是段号和段内相对地址。 3、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,虚拟页式和虚拟段式存储管理的结合，由于 开销比较大，一般只用于大型机系统中。,一、基本原理,虚拟段页式管理中的段表和页表,段页式地址变换,二、段页式管理中的高速联想寄存器,1、段页式管理中，对
10、内存中的指令和数据进行一 次存取的话，至少需要访问三次以上的内存：段 表，页表，物理单元，因此，使CPU的执行指令 速度大大降低。 2、为了提高地址转换速度，设置高速联想寄存 器：其中存放最常用的段号s、页号p和对应的内 存页面与其他控制项。 3、当要访问内存空间某一单元时，可在通过段 表，页表进行内存地址查找的同时，在高速联想 寄存器中查找其段号和页号。,1、有一个请求分页存储管理系统，页面大小为 每页100字节。有一个5050的整型数组按行连 续存放，每个整数占2个字节，将数据初始化为0 的程序描述如下：int a5050; int i,j;for (i=0;i=49;i+)for (j=
11、0;j=49;j+)aij=0; 若在程序执行时内存只有一个存储块用来存放数 组信息，试问该程序执行时产生多少次缺页中断？,返回,5.6.3.4 段页式习题,解：数组中有2500个整数，每个整数占用2个字节，共 需存储空间5000个字节，而页面大小为每页100个字 节。数组占用空间50页。假设数据从该作业的第m页 开始存放，则数组分布在第m页到第m+49页中，它在 主存中的排列顺序为： a00, a01, a049 第m页 a10, a11, a149 第m+1页 a490, a491, a4949 第m+49页由于该初始化程序是按行进行的，因此，每次缺 页中断调进一页后，位于该页内的数组元素
12、全部赋予0 值，然后再调入下一页，所以涉及的页面走向为 m，m+1，m+49，故缺页次数为50次。,2、在一个段式存储管理系统中，其段表如下，求下述逻辑地址 对应的物理地址是什么?段号 内存起始地址 段长0 210 5001 2350 202 100 903 1350 5904 1938 95,段号 段内位移 0 430 1 10 2 500 3 400 4 112 5 32,(210+430=640) (2350+10=2360) 非法 (1350+400=1750) 非法 非法,解：,3、在一个页式管理系统中，其页表存放在主存中。 （1）如果对主存的一次存取需要1.5微秒，问实现一次 页面
13、访问的存取时间是多少？ （2）如果系统有快表，平均命中率为85，且当页表 项在快表中时，其查找时间忽略为0，问此时实现一次 页面的存取时间是多少？,解：实现一次页面访问需2次访问主存，一次是访问页 表，确定所存取页面的物理地址，第2次才根据该地址 存取页面数据。 （1）由于页表放在主存，CPU要2次访问主存才能获得 所需数据。1.523微秒（2）在系统增加了快表后，在快表中找到页表项的概 率为85，所以实现一次页面访问的存取时间为：0.85 1.5+(1-0.85) 2 1.5=1.725微秒,5.6.4 存储保护和共享,1、保护系统程序区不被用户侵犯（有意或无意的） 2、不允许用户程序读写不
14、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,一、存储保护的目的,由于存储保护检查是针对每个存储访问操作进行的，必须有相应的处理器硬件机构支持。,1、界限保护 (上界/下界寄存器或基址/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。,二、存储保护类型,界限保护,2、访问方式保护（保护键）通过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
15、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；,保护键,1、每个存储块有一个由二进制位组成的存储保护键。 2、一用户作业被允许进入主存，OS分给它一个唯一的 存储键号,并将分配给该作业各存储块存储键也置成同 样键号。 3、当OS挑选该作业运行时，OS将它的存储键号放入程 序状态字PSW存储键（“钥匙”）域中。 4、每当CPU访问主存时，都将该主存块的存储键与 PSW中的“钥匙”进行比较。 5、如果相匹配或
16、存储块未受到保护，则允许访问，否 则，拒绝并报警。,保护键,正确访问 LOAD 1，5000；非读保护 STORE 2，5200；开关字键匹配,非正确访问 LOAD 1，2500；出错，开关字键不匹配,5.6.5 虚拟存储的置换算法,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(frame 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,一、目标,最佳算法(OPT, optimal) 最近最久未使用算
17、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),二、常用算法,1、最佳算法(OPT) (理想型淘汰算法),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
18、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FIFO算法下被反复调入和调出。有Belady现象。,（1）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。 （2）Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与进程 访问内存的动
19、态特征是矛盾的，即被置换的页面并不是 进程不会访问的。,（3）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, 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；,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；,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。 将用于替换的页面集合被看作是一个循环缓冲区，并且有一个指针与之相连，置换时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
20、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。,当页727要进入时，在从缓冲区中替换一页之前，下一帧指针指向含有页45的帧。,替换前：,替换后：,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；,OPT 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2
21、1 5 页1 4 4 4 4 4 2 2 页2 3 3 3 3 3 1 页3 2 1 5 5 5X X X X X X X,共缺页中断7次,6、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。,LRU 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 页1 4 4 4 1 1 1 5 2 2 2 页2 3 3 3 4 4 4 4 1 1 页3 2 2 2 3 3 3 3 5X X X X X X X X X X,共缺页中断10次,FIFO 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 页1 4 4 4 1 1 1 5 5 5 页2
22、3 3 3 4 4 4 2 2 页3 2 2 2 3 3 3 1 X X X X X X X X X,共缺页中断9次,1、某系统采用页式存储管理策略，拥有逻辑空间32页，每页2K，拥有物理空间1M。 （1）写出逻辑地址的格式。 （2）若不考虑访问权限等，进程页表有多少项？每项有多少位？ （3）如果物理空间减少一半，页表结构应相应作怎样的改变？,本 章 习 题,（1）写出逻辑地址的格式。 该系统拥有逻辑空间32页，故逻辑地址中页号必须用5位来描述；而每页为2K，页内地址必须用11位来描述。15 11 10 0,（2）若不考虑访问权限等，进程页表有多少项？每项有多少位？ 每个进程最多有32个页，因
23、此，进程的页表最多为32项；若不考虑访问权限等，则页表项中只需给出页所对应的物理块块号，1M的物理空间可分成29个内存块，故每个页表项至少有9位。 （3）如果物理空间减少一半，页表结构应相应作怎样的改变？ 页表中页表项数仍不变，但每项的长度可减少1位。,2、已知某分页系统，主存容量为64K，页面大小为1K，对一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、4、6、7块中。 （1）将十进制的逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址。 （2）以十进制逻辑地址1023为例画出地址变换过程。,答：（1）逻辑地址1023，页号为0，页内地址为1023，查页表，物理地址为21K+1023=3071 逻辑地址2500，页号为2，页内地址为452，查页表，物理地址为61K+452=6596 逻辑地址3500，页号为3，页内地址为428，查页表，物理地址为71K+428=7596 逻辑地址4500，页号为4，页内地址为404，因页号不小于页表长度，故产生地址越界中断。,（2）以十进制逻辑地址1023为例画出地址变换过程。,页表寄存器,逻辑地址1023,地址越界,物理地址3071,
