操作系統(tǒng)原理第八章虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)

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1、第八章虛擬存儲(chǔ)管理技術(shù)實(shí)存儲(chǔ)管理技術(shù)要求把進(jìn)程全部裝入內(nèi)存才能運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)兩種可能：1）要求運(yùn)行的進(jìn)程所需的內(nèi)存空間大于系統(tǒng)的內(nèi)存空間，只有部分進(jìn)程能夠裝入內(nèi)存運(yùn)行，而其他進(jìn)程只有留在外存中等待。2）邏輯地址空間大于存儲(chǔ)空間的進(jìn)程無(wú)法在系統(tǒng)中運(yùn)行。兩種解決方案：從物理上增加內(nèi)存容量或從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量（虛擬存儲(chǔ)）一、虛擬存儲(chǔ)器的概念1、局部性原理局部性原理(principleoflocality)：指程序在執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)較短時(shí)期，所執(zhí)行的指令地址和指令的操作數(shù)地址，分別局限于一定區(qū)域。–時(shí)間

2、局限性–空間局限性局部性原理是實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的理論基礎(chǔ)。2、虛擬存儲(chǔ)器?在程序裝入時(shí)，不必將其全部讀入到內(nèi)存，而只需將當(dāng)前需要執(zhí)行的部分頁(yè)或段讀入到內(nèi)存，就可讓程序開始執(zhí)行。?在程序執(zhí)行過(guò)程中，如果需執(zhí)行的指令或訪問(wèn)的數(shù)據(jù)尚未在內(nèi)存（稱為缺頁(yè)或缺段），則由處理器通知操作系統(tǒng)將相應(yīng)的頁(yè)或段調(diào)入到內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。?另一方面，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的頁(yè)或段調(diào)出保存在外存上，從而騰出空間存放將要裝入的程序以及將要調(diào)入的頁(yè)或段。只需程序的一部分在內(nèi)存就可執(zhí)行。所謂虛擬存儲(chǔ)器，就是僅把進(jìn)程的一部分裝入內(nèi)存便可

3、運(yùn)行的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，它具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，是能從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。虛擬存儲(chǔ)器的邏輯容量由系統(tǒng)的尋址能力和外存容量之和所決定。多次性：一個(gè)作業(yè)被分成多次調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行；對(duì)換性：允許在作業(yè)的運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行換進(jìn)、換出；虛擬性：能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，是用戶“看到”的內(nèi)存容量遠(yuǎn)大于實(shí)際大小。該特征是以上兩個(gè)特征為基礎(chǔ)的。二、請(qǐng)求分頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式請(qǐng)求式分頁(yè)也稱虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理，與純分頁(yè)存儲(chǔ)管理不同，請(qǐng)求式分頁(yè)管理系統(tǒng)在進(jìn)程開始運(yùn)行之前，不是裝入全部頁(yè)面，而是裝入一個(gè)或零個(gè)頁(yè)面，之后根據(jù)進(jìn)程

4、運(yùn)行的需要，動(dòng)態(tài)裝入其它頁(yè)面；當(dāng)內(nèi)存空間已滿，而又需要裝入新的頁(yè)面時(shí)，則根據(jù)某種算法淘汰某個(gè)頁(yè)面，以便裝入新的頁(yè)面。在分頁(yè)式存儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)功能、頁(yè)面置換功能而形成的頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)需要解決下面三個(gè)問(wèn)題：?1）系統(tǒng)如何獲知進(jìn)程當(dāng)前所需頁(yè)面不在主存。?2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺頁(yè)時(shí)，如何把所缺頁(yè)面調(diào)入主存。3）當(dāng)主存中沒(méi)有空閑的頁(yè)框時(shí)，為了要接受一個(gè)新頁(yè)，需要把老的一頁(yè)淘汰出去，根據(jù)什么策略選擇欲淘汰的頁(yè)面。1、請(qǐng)求分頁(yè)式存儲(chǔ)管理的基本概念1）基本原理運(yùn)行前將一部分頁(yè)面裝入內(nèi)存，另外一部分頁(yè)面則裝入外存

5、。在程序運(yùn)行過(guò)程中，如果所訪問(wèn)的頁(yè)面不再內(nèi)存中，則發(fā)生缺頁(yè)中斷，操作系統(tǒng)進(jìn)行頁(yè)面動(dòng)態(tài)調(diào)度：a）找到被訪問(wèn)頁(yè)面在外存中的地址。b）在內(nèi)存中找一個(gè)空閑塊，如果沒(méi)有，則按照淘汰算法選擇一個(gè)內(nèi)存塊，將此塊內(nèi)容寫回外存，修改頁(yè)表。c）讀入所需得頁(yè)面，修改頁(yè)表。d）重新啟動(dòng)進(jìn)程，執(zhí)行被中斷的指令。2）頁(yè)表機(jī)制頁(yè)表中除了頁(yè)號(hào)和物理塊，增加若干項(xiàng)，以完成調(diào)入功能和置換功能a）狀態(tài)位P：指示該頁(yè)是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存，0表示該頁(yè)已在內(nèi)存，1表示該頁(yè)不再內(nèi)存。b）訪問(wèn)位A：紀(jì)錄該頁(yè)在一段時(shí)間內(nèi)被訪問(wèn)的次數(shù)，或最近已經(jīng)有多少時(shí)間沒(méi)有訪問(wèn)

6、，供置換算法選擇頁(yè)面時(shí)參考。c）修改為M：紀(jì)錄該頁(yè)面在調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過(guò)。d）外存地址：指出該頁(yè)在外存上的地址，通常是物理塊號(hào)，供調(diào)入該頁(yè)時(shí)使用。3）地址變換機(jī)構(gòu)圖8-22、內(nèi)存分配策略1）內(nèi)存頁(yè)面分配策略a）平均分配b）按進(jìn)程大小比例分配c）按進(jìn)程優(yōu)先級(jí)比例分配d）按進(jìn)程長(zhǎng)度和優(yōu)先級(jí)比例分配2）外存塊的分配策略靜態(tài)分配：一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行前，將所有頁(yè)面全部裝入外存。當(dāng)一個(gè)外存頁(yè)面被調(diào)入內(nèi)存，所占用的外存頁(yè)面不釋放。動(dòng)態(tài)分配：一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行前，僅將沒(méi)有裝入內(nèi)存的部分裝入外存，當(dāng)某頁(yè)面被調(diào)入內(nèi)存時(shí)，釋放所占用的外

7、存空間。3、頁(yè)面調(diào)入時(shí)機(jī)1）請(qǐng)求調(diào)頁(yè)策略發(fā)生缺頁(yè)中斷時(shí)進(jìn)行頁(yè)面調(diào)度2）預(yù)調(diào)頁(yè)策略每次調(diào)入若干個(gè)頁(yè)面4、頁(yè)面調(diào)度算法1）最佳置換算法（OPT）選擇“未來(lái)不再使用的”或“在離當(dāng)前最遠(yuǎn)位置上出現(xiàn)的”頁(yè)面被置換。這是一種理想情況，是實(shí)際執(zhí)行中無(wú)法預(yù)知的，因而不能實(shí)現(xiàn)。可用作性能評(píng)價(jià)的依據(jù)。假定系統(tǒng)為某進(jìn)程分配了三個(gè)物理塊，并考慮有以下的頁(yè)面號(hào)引用串：7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，12）先進(jìn)先出置換算法（FIFO）選擇建立最早的頁(yè)面被置換。可以通過(guò)鏈表來(lái)表示各頁(yè)的建立時(shí)

8、間先后。性能較差。較早調(diào)入的頁(yè)往往是經(jīng)常被訪問(wèn)的頁(yè)，這些頁(yè)在FIFO算法下被反復(fù)調(diào)入和調(diào)出。?Belady現(xiàn)象：采用FIFO算法時(shí)，如果對(duì)一個(gè)進(jìn)程未分配它所要求的全部頁(yè)面，有時(shí)就會(huì)出現(xiàn)分配的頁(yè)面數(shù)增多，缺頁(yè)率反而提高的異常現(xiàn)象。?Belady現(xiàn)象的描述：一個(gè)進(jìn)程P要訪問(wèn)M個(gè)頁(yè)，OS分配N個(gè)內(nèi)存頁(yè)面給進(jìn)程P；對(duì)一個(gè)訪問(wèn)序列S，發(fā)生缺頁(yè)次數(shù)為PE（S,N）。當(dāng)N增大時(shí)，PE(S,N)時(shí)而增大，時(shí)而減小。