5．1虚拟存储器概述

1.各种存储器管理方式有一个共同特点：

都要求将一个作业都装入内存后才能运行

（产生作业过大，内存不够用的情况，虚拟存储器解决该问题）

2.常规存储器管理方式不足的原因：

（1）特征：

*一次性。作业必须一次性全部装入内存后方能运行

*驻留性。作业被装入内存后，整个作业被驻留在内存中，直到运行结束

（2）程序运行是有局部性的，一次性和驻留性不必要

（3）程序执行特点：

*程序执行少部分是转移和过程调用，大多数情况下是顺序执行

*程序中存在许多循环结构，对少数指令进行多次执行

*程序中包括许多对数据结构的处理（如数组），这些处理往往局限在小范围内

（4）在（3）中表现局限性两个方面：

*时间局限性

*空间局限性

3.虚拟存储器基本工作情况：

程序运行前不需将全部存入内存，少数页面和段装入，运行访问页或段时，在内存的直接用，不在的未调入，发出缺页（段）中断请求，OS调入，如果内存满了，置换（允许将一个作业分多次调入内存）

4.虚拟存储器定义：

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加以扩充的一种存储器系统

5.虚拟存储器特征：

（1）多次性：一个作业被分成多次调入内存运行

（2）对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出

（3）虚拟性：能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量

6.虚拟存储器实现方法：

离散分配方式是基础

[if !supportLists]（1）       [endif]分页请求系统：

分页系统基础上增加请求调页功能和页面置换功能

[if !supportLists]（2）       [endif]请求分段系统：

在分段系统基础上，增加请求调段及分段置换功能

5.2请求分页存储管理方式

1．硬件支持

*请求页表：

(1)状态位P ：指示该页是否已调入内存

(2)访问字段A ：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问。(置换时考量的参数)

(3)修改位M ：该页在调入内存后是否被修改过。(关系到置换时调出的具体操作)

修改过的换出要重写入外存

(4)外存地址：用于指出该页在外存上的地址

*缺页中断机制：

步骤：

保护CPU环境

分析中断原因

转入缺页中断处理程序

恢复CPU环境

缺页中断是一种特殊的中断，与一般中断有明显区别，主要表现在：

[if !supportLists]（1）       [endif]在指令执行期间产生和处理中断信号

[if !supportLists]（2）       [endif]一条指令在执行期间可能产生多次却也中断

2.最小物理块：

能保证程序正常运行所需的最小物理块，少于此值进程将无法运行。大小与计算机硬件结构有关，取决于指令的格式。功能和寻址方式

3.内存分配策略：

（1）固定分配局部配换

每个进程分配一组固定数目物理块，在进程运行期间不再改变

（2）可变分配全局配换（用的多）

先为每个进程分配一定数目物理块，进行运行期间，可根据情况适当增减或减少

（3）可变分配局部置换

4.物理块分配算法：

（1）平均分配

（2）按比例分配算法

（3）考虑优先权的分配算法

5．调页策略

（1）何时调入：

*预调页策略

以预测为基础，将预计不久后便会被访问的若干页面，预先调入内存

优点：一次调入若干页，效率较好

缺点：预测不一定准确，预调入的页面可能根本不被执行到。主要用于进程的首次调入，由程序员指出应该先调入哪些页

*请求调页策略

运行中需要的页面不在内存，便立即提出请求，由OS将其调入内存

优点：由请求调页策略所确定调入的页，一定会被访问；比较容易实现

缺点：每次仅调入一页，需花费较大的系统开销，增加了磁盘I/O的启动频率

（2）从何处调入页面

在请求分页系统中的外存分为：对换区和文件区

发生缺页时，系统应从何处将缺页调入内存，分成三种情况：

*系统拥有足够的对换区空间：进程运行前所有页面由文件区拷贝到对换区

*系统缺少足够的对换区空间

* UNIX方式

（3）缺页率：

页面调入次数（缺页次数）/总的页面使用次数

f=F/A

5.3页面置换算法

1. 最佳（Optimal）置换算法

优点：实现简单，把一进程已调入内存的页面按先后次序组织成一个队列，并设置一个指针(替换指针)，使它总是指向队首最老的页面。

不足：与进程实际运行规律不相适应（较早调入的页往往是经常被访问的页，频繁被对换造成运行性能降低）

2. 先进先出置换算法（FIFO）

选择内存中驻留时间最久的页面予以淘汰

优点：实现简单，把一进程已调入内存的页面按先后次序组织成一个队列，并设置一个指针(替换指针)，使它总是指向队首最老的页面。

不足：与进程实际运行规律不相适应（较早调入的页往往是经常被访问的页，频繁被对换造成运行性能降低）

3．最近最久未使用(LRU)置换算法

不足：

有时页面过去和未来的走向之间并无必然的联系。

相应的需较多的硬件支持：用寄存器或栈

4．轮转算法(clock)

又称最近未使用算法，与LRU(最近最久未使用算法)近似算法

原理：

（1）每个页设一个使用标志位(use bit)，若该页被访问则将其置为1。

（2）设置一个指针，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。

（3）若指针经过的页use bit=1，修改use bit=0（暂不凋出，给被用过的页面驻留的机会 ），指针继续向下。到所有页面末尾后再返回队首检查。

*改进CLOCK：

主要考虑对没访问过的页面再细分是否修改过的不同情况，减少因修改造成的频繁I/O操作

每页除记录是否用过A，还记录是否修改的标志M。置换时根据两个标志的值有4种不同情况的处理