OS_虚拟内存@请求分页系统@驻留集@内存分配策略

请求分页系统

• 请求分页系统(Demand paging) 建立在基本分页系统(memory paging)基础之上
  • 为了支持虚拟存储器功能而增加了
  • 请求调页功能
  • 页面置换功能
• 请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法 🎈
• 在请求分页系统中
  • 只要求将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行
  • 在作业执行过程中，当所要访问的页面不在内存中时，再通过调页功能将其调入，同时还可通过置换功能将暂时不用的页面换出到外存上，以便腾出内存空间
• 为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持
• 除了需要一定容量的内存及外存的计算机系统，还需要有
  • 页表机制
  • 缺页中断机构
  • 地址变换机构

页表机制

• 请求分页系统的页表机制不同于基本分页系统，请求分页系统在一个作业运行之前不要求全部一次性调入内存

• 因此在作业的运行过程中，必然会出现要访问的页面不在内存中的情况，

• 如何发现和处理这种情况是请求分页系统必须解决的两个基本问题

  • 为此，在请求页表项中增加了4个字段

  • 请求分页系统中的页表项

    • 页号
    • 物理块号
    • 状态位P
    • 访问字段A
    • 修改位M
    • 外存地址O

  • 增加的4个字段说明如下:(了解完置换算法后再来学习这部分)

    • 状态位P

      • 调入状态,用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考

    • 访问字段A

      • 访问计数(时)器: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，供置换算法换出页面时参考 (比如LRU算法用到计数器)

    • 修改位M

      • 即,脏位,标识该页在调入内存后是否被修改过，以确定页面置换时是否写回外存

    • 外存地址O

      • 用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考

缺页中断机构

• 在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在内存中时，便产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺的页调入内存 此时应将缺页的进程阻塞（调页完成唤醒)，
  • 若内存中有空闲块，则分配一个块，将要调入的页装入该块，并修改页表中的相应页表项，
  • 若此时内存中没有空闲块，则要淘汰某页
    • 若被淘汰页在内存期间被修改过，则要将其写回外存)
  • 缺页中断作为中断，同样要经历诸如保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序、恢复CPU环境等几个步骤
    • 但与一般的中断相比，它有以下两个明显的区别:
      • 在指令执行期间而非一条指令执行完后产生和处理中断信号，属于内部异常
      • 一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断

地址变换机构

• 请求分页系统中的地址变换机构，是在分页系统地址变换机构的基础上，为实现虚拟内存，又增加了某些功能而形成的
  • 如产生和处理缺页中断，
  • 从内存中换出一页的功能
  • …
• 

页框分配

驻留集

• 对于分页式的虚拟内存，在进程准备执行时，不需要也不可能把一个进程的所有页都读入主存。
• 因此，操作系统必须决定读取多少页，即决定给特定的进程分配几个页框。
• 给一个进程分配的物理页框的集合就是这个进程的驻留集🎈
  • 需要考虑以下几点：
  • 1)分配给一个进程的页框越少，驻留在主存中的进程就越多，从而可提高CPU的利用率。
  • 2)若一个进程在主存中的页面过少，则尽管有局部性原理，缺页率仍相对较高。
  • 3)若分配的页框过多，则由于局部性原理，对该进程的缺页率没有太明显的影响。

分配策略

• 在请求分页系统中,可以采取
  • 两种分配策略

固定分配

• 分配给进程的内存物理块数保持不变

可变分配

• 分配给进程的内存物理块数可以变化

置换策略

• 两种置换策略

  • 全局置换
  • 局部置换

局部置换

• 所谓局部置换，是指如果进程在运行中发生缺页，
  • 则只能从分配给该进程在内存的页面中选出一页换出，然后再调入一页，
  • 以保证分配给该进程的内存空间不变。🎈

全局置换

• 所谓全局置换，是指如果进程在运行中发生缺页，系统从空闲物理块队列中取出一块分配给该进程，并将所缺页调入。

策略组合

• 分配策略和置换策略两者组合,共有三种可能的策略组合

固定分配局部置换

• 内存块数-固定分配-局部置换

• 它为每个进程分配一定数目的物理块，在整个运行期间都不改变。

• 实现这种策略时，难以确定应为每个进程分配的物理块数目:

  • 太少会频繁出现缺页中断，
  • 太多又会降低 CPU和其他资源的利用率。

• 🎈固定分配要求进程的内存物理块不变

  • 所以不可以配合全局置换(这试图改变物理块数,导致矛盾)

可变分配全局置换

• 这是最易于实现的物理块分配和置换策略，

• 它为系统中的每个进程分配一定数目的物理块

  • 在进程运行期间,根据情况适当的增加/减少分配给进程的内存物理块

  • 操作系统自身保持一个空闲物理块队列。

• 这种方法比固定分配局部置换更加灵活，可以动态增加进程的物理块，但也存在弊端，

  • 如它会盲目地给进程增加物理块，从而导致系统多道程序的井发能力下降。
  • 先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间可根据情况适当地增加或减少。

可变分配局部置换🎈

• 它为每个进程分配一定数目的物理块，
  • 当某个进程发生缺页时，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，因此不会影响其他进程的运行。
  • 若进程在运行中频繁地缺页，则系统再为该进程分配若干物理块，直至该进程缺页率趋于适当程
    度；
  • 反之，若进程运行中的缺页率特别低，则可适当减少分配给该进程的物理块。
• 比起可变分配全局置换，这种方法不仅可以动态增加进程物理块的数量，还能动态减少进程
  物理块的数量，在保证进程不会过多地调页的同时，也保持了系统的多道程序井发能力。
• 当然它需要更复杂的实现，也需要更大的开销，但对比频繁地换入／换出所浪费的计算机
  资源，这种牺牲是值得的。