虚拟存储管理

前面介绍的存储管理方案要求作业全部装入内存才可运行。但这会出现两种情况：

• 有的作业因太大，内存装不下而无法运行。
• 系统中作业数太多，因系统容量有限只能让少数作业先运行。

1 局部性原理

定义：

• 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。

局限性的表现：
时间局限性： 程序中的的某条指令一旦执行，不久后会再次执行。
空间局限性： 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。

2 虚拟存储器的定义

所谓虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。
虚拟存储器的特征：
离散性：作业不装入连续的存储空间，内存分配采用离散分配方
多次性：一个作业被分割，被多次调入内存。
对换性：作业在运行过程中换进、换出内存。
虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量。虚拟存储器的特征

3 请求页式存储管理

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：记录该页在一段时间内被访问的次数。
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

缺页中断： 在指令执行期间产生和处理中断信号(指令执行1次即缺页1次)。一条指令执行期间，可能产生多次缺页中断。

驻留集：

• 保证进程正常运行所需的最少物理块数是多少？
• 为每个进程分配物理块时，其数目是固定的、还是可变的？
• 如何为进程置换物理块，是局部置换？还是全局置换？

进程正常运行最少需要物理块数：

• 物理块越多越好！——虚拟？
• 随着为进程分配的物理块数目的减少，将使进程执行中的缺页率提高，从而降低进程的执行速度。
• 能保证进程正常运行所需的最小物理块数是多少？这与计算机的硬件结构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式。

驻留集管理：
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。整个系统有一空闲物理块链，当某进程缺页时，系统从空闲链中选出一块分配给进程。
• 空闲链为空时，OS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

• 分配同上，但进程缺页时，只能从该进程在内存的页面中选出一页换出。

调入策略:
何时调入页面:预调,请调。
从何处调入：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。
UNIX系统方式，首次从文件区调入，换出时放在对换区，以后从对换区调入

4 请求页式存储管理的页面置换算法

4.1 最佳置换算法OPT

结论： 先置换最早不再使用或最长时间不使用的页面。理想性的置换算法，目前无法实现。

4.2 先进先出置换算法FIFO

结论： 先置换最早进入的页面。

4.3 最近最久未使用置换算法LRU

结论： 先置换最久未使用的页面。

4.4 CLOCK置换算法

LRU性能较好，但实现困难！因此可用CLOCK算法。为每页设一访问位，再将内存中的所有页面链接成一循环队列。

• 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：
<1>A=0，M=0该页既未被访问过、又未被修改过，是最佳淘汰页。
<2>A=0，M=1该页最近未被访问、但已被修改，可以被淘汰。
<3>A=1，M=0最近已被访问，但未被修改，该页有可能再被访问。
<4>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：
1>从当前位置扫描循环队列，寻找〈1〉类页面。
2>若1>失败，开始第二轮扫描，寻找<2>类页面，并将所经过的页面的访问位置0。
3>若2>也失败，返回到开始位置，将所有的访问位复0，goto 1>。

4.5 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。
正确选择驻留集窗口大小：

• 窗口大小Δ选择得过小，频繁产生缺页中断。
• 窗口大小Δ选择得很大，失去了虚拟存储器的意义。

4.6 缺页率与物理块数的关系

为进程分配的物理块数达到一定值图中拐点处，缺页率保持在上下限之间。

4.7 CPU的利用率与多道程序数的关系

抖动的产生：

• 在多道程序环境下，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

5 请求段式存储管理

除段号、段长和段始址这些段式系统已有的基本表项之外，增加了以下表项：

• 存取方式：用于标识本段的存取属性是只执行、只读，还是允许读/写。
• 状态位：指示该段是否已进驻内存。
• 访问字段：用于记录本段有多长时间没有被访问。置换算法在选择换出段时参考。
• 修改位：表示该段调入内存后是否被修改过。
• 增补位：这是请求段式存储管理系统中特有的字段，用于表示本段在运行过程中是否进行过动态增长。
• 外存地址：用于指出该段在外存的地址，供调入该段时使用。

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