前面所介绍的各种存储器管理方式，有一个共同特点：作业全部装入内存后方能运行

问题： ➢ 大作业装不下 ➢ 少量作业得以运行

解决办法：

➢ 方法一：从物理上增加内存容量，成本高

➢ 方法二：从逻辑上扩充内存容量->虚拟存储技术

程序的局部性的应用

1. 部分装入：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. 请求调页（段）：在程序执行过程中，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），利用OS提供的请求调页（段）功能，将相应的页或段调入到内存，然后继续执行程序。

3. 置换：如果此时内存已满，无法装入新的页（段），则还必须调用页（段）置换功能。

4. 大作业+多并发：这样，便可使一个大的用户程序，在较小的内存空间运行； 也可在内存中同时装入更多进程并发运行。

虚拟存储器：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。

多次性：作业中的程序和数据允许被分成多次调入内存允许

对换性：作业运行时无须常驻内存，允许作业在运行过程中换进、换出

虚拟性：从逻辑上扩充了内存容量，使用户看到的内存容量远大于实际内存容量

离散性：在内存分配时采用离散分配方式

实现原理：进程运行只装入部分程序和数据，在外存保留完整副本，运行中动态调整进程在内存中的部署

优点: 利用率高，方便用户，对多道程序运行有较强的支持

实现方式：有两种典型虚拟存储器实现方式

 

页式虚拟存储

1. 页式虚拟存储：在分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统

2. 基本思想：分页管理，装入少量页运行，缺页故障后调整

3. 页表结构: 页号+ 标志位+ 块号+ 外存地址

4. 地址转换: 正常地址转换，缺页时产生缺页中断

段式虚拟存储

1. 段式虚拟存储：在分段系统的基础上，增加请求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储

2. 基本思想：装入部分段，动态装入或调出段

3. 段表结构：段号+ 主存起址+ 长度+ 辅存起址+标志位+扩充位…

4. 缺段中断：缺段时产生缺段中断

5. 地址变换机构：逻辑地址->物理地址，增加缺段中断

请求分页中的硬件支持

请求页表机制

缺页中断机构

➢ 在指令执行期间产生和处理中断信号

➢ 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

➢ 与分页内存管理方式类似

为了实现请求分页，系统要提供一定的硬件支持。除了一定容量的内存和外存，还需要有：页表机制、缺页中断机构和地址变换机构

扩充表(以前页表结构只包含页号和块号两个信息，这是进行地址变换机构所必须的，为了判断页面在不在主存，可在原页表上扩充）

页表机制

用于将用户逻辑地址空间变换为物理地址空间。在页表中增加若干项，以便于标志程序或数据的状态。页表项：

 

状态位（存在位）P：表示该页是否调入内存

访问字段A：用于记录该页在某段时间内被访问的次数

修改位M：表示该页在调入内存后是否被修改过

外存地址：该页在外存上的地址，通常是物理块号

缺页中断机构

缺页中断：在地址映射过程中，在页表中发现所要访问的页不在内存，则产生缺页中断。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，使进程继续运行下去

2. 分配：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状态位及相应的内存块号

3. 淘汰：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

处理过程：保护CPU现场、分析中断原因、转入缺页中断处理程序、恢复CPU环境

特点：缺页中断发生在指令执行期间，而通常情况下，CPU是在一条指令执行完后，才检查是否有中断请求到达；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

1. 在地址变换时，首先检索快表，试图从中找到要访问的页。如找到，修改其访问位。对于“写”指令，还要设置修改位的值。如未找到则转3。

2. 利用页表项中的物理块号和页内地址，形成物理地址。

3. 查找页表，找到页表项后，判断其状态位P，查看该页是否在内存中。如果在，则将该页写入快表（若快表已满，则应该先调出某个或某些页表项）。如果不在，则产生缺页中断，由OS从外存将该页调入内存

请求分页中的内存分配

在为进程分配物理块时，要解决下列的三个问题：

1. 保证进程可正常运行所需要的最少物理块数

2. 每个进程的物理块数，是固定值还是可变值（分配策略）

3. 不同进程所分配的物理块数，是采用平均分配算法还是根据进程的大小按照比例予以分配（分配算法）。

内存分配策略

1、固定分配局部置换

⚫ 思路

– 分配固定数目的内存空间，在整个运行期间都不改变

⚫ 策略

– 如果缺页，则先从该进程在内存的页面中选中一页，进行换出操作，然后再调入一页

⚫ 特点

– 为每个进程分配多少页是合适的值难以确定

2、可变分配全局置换

⚫ 思路

– 每个进程预先分配一定数目的物理块，同时OS也保持一个空闲物理块队列

⚫ 策略

– 当缺页时，首先将对OS所占有的空闲块进行分配，从而增加了各进程的物理块数。当OS的空闲块全部用完，将引起换出操作

3、可变分配局部置换

⚫ 思路

– 系统根据缺页率动态调整各进程占有的物理块数目，使其保持在一个比较低的缺页率状态下

⚫ 特点

– 使大部分进程可以达到比较近似的性能

物理块分配算法

在采用固定分配策略时，可使用下列方法来分配：

1. 平均分配算法：将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。

2. 按比例分配算法：按照进程的大小比例分配物理块。

3. 考虑优先权的分配算法：为了对于紧迫的作业，能够尽快完成。可以将内存的物理块分成两部分，一部分按比例地分配给各进程；另一部分则根据各进程的优先权，适当增加其相应的份额，分配给各进程。

页面调入策略

何时调入页面

➢ 预调页策略：预先调入一些页面到内存

➢ 请求调页策略：发现需要访问的页面不在内存时，调入内存

从何处调入页面

➢ 如系统拥有足够的对换区空间，全部从对换区调入所需页面

➢ 如系统缺少足够的对换区空间，凡是不会被修改的文件，都直接从文件区调入；当换出这些页面时，由于未被修改而不必再将它们重写磁盘，以后再调入时，仍从文件区直接调入

➢ UNIX方式：未运行过的页面，从文件区调入；曾经运行过但又被换出的页面，从对换区调入

① 进程需要的页面不在内存，引起缺页中断

② 中断处理程序保留现场环境，转入缺页中断处理程序

③ 中断处理程序查找页表，得到对应的外存物理块号。如果内存有空闲，则启动磁盘操作，将所缺的页面读入，并修改页表。否则，到4。

④ 执行置换算法，选出要换出的页面，如果该页修改过，应将其写入磁盘，然后将所缺页调入内存，修改相应表项，将其存在位置为‘1’，并放入快表。

⑤ 利用修改后的页表，形成物理地址，访问内存数据。

缺页率

访问页面成功(在内存)的次数为S

访问页面失败(不在内存)的次数为F

总访问次数为A=S+F

缺页率为 f= F/A

影响因素：页面大小、分配内存块的数目、页面置换算法、程序固有属性

缺页中断处理的时间：假设被置换页面被修改的概率是β

 

请求分页存储管理方式

⚫ 优点：

– 可提供多个大容量的虚拟存储器：作业的地址空间不再受主存大小的限制

– 主存利用率大大提高：作业中不常用的页不会长期驻留在主存，当前运行用不到的信息也不必调入主存

– 能实现多道作业同时运行

– 方便用户：大作业也无须考虑覆盖问题

⚫ 缺点：

– 缺页中断处理增加系统开销

– 页面的调入调出增加I/O系统的负担

– 此外页表等占用空间且需要管理，存在页内零头