第四部分 作業系統-虛擬記憶體
一、起因
記憶體相對於暫存器速度慢，所以記憶體和暫存器之間有 cache
硬碟比記憶體容量大，但是速度慢
磁帶比硬碟容量還大
計算機系統中，尤其是多道程式執行下記憶體不夠用
二、覆蓋技術
1、目標
較小的可用記憶體中執行較大的程式。常用於多道程式系統，與分割槽儲存管理配合使用
2、原理
- 程式劃分為獨立程式模組
- 共享記憶體、分時執行
- 常用功能常駐記憶體、不常用功能放於外存
3、缺點
覆蓋模組從外存裝入記憶體，實際上是以時間延長換取空間節省
三、交換技術
1、目標
多道程式在記憶體中時，讓正在執行的程式或需要執行的程式獲得更多的記憶體資源
2、原理
暫時不能執行的程式送到外存
3、存在的問題
- 交換時機的確定：只當記憶體空間不夠或者有不夠的危險時
- 交換區的大小：足夠存放程序的所有記憶體映像的拷貝；能對這些記憶體映像直接存取
- 程式換入時的重定位：動態地址對映
4、與覆蓋技術的區別
覆蓋：發生在一個程式裡，程式設計師需要手動指定邏輯關係；
交換：發生在程式之間，由作業系統內部完成，不需要程式設計師設定
四、虛存技術
1、目標
覆蓋技術做的更好：由作業系統自動完成
交換技術做的更好：只對程序的部分內容在記憶體和外存之間進行交換
2、程式的區域性性原理
- 時間區域性性：連續兩次訪問集中在一個較短時期
- 空間區域性性：訪問的資料在較近的區域
3、基本概念
可以在頁式或段式記憶體管理的基礎上實現
- 需要執行的部分頁面或者段裝入到記憶體
- 執行過程中，將尚未在記憶體但是須執行的程式調入到記憶體
- 記憶體中暫時不使用的頁面或段儲存在外存
4、基本特徵
- 大的使用者空間：實體記憶體和外存相結合
- 部分交換：部分虛擬地址空間進行的
- 不連續性：實體記憶體分配的不連續，虛擬地址空間使用的不連續
5、實現 —— 虛擬頁式儲存管理
（1）頁表
- 完成邏輯頁到物理頁幀的對映
（2）虛擬頁式儲存管理技術
- 在頁式儲存管理的基礎上增加請求調頁和頁面置換功能
- 執行過程中程式或者要訪問的資料不在記憶體中，則向系統發出缺頁中斷請求
- 系統在處理這個中斷時，將外存中相應頁面調入記憶體，使得程式繼續執行
（3）頁表表項
- 駐留位：表示該頁是在記憶體還是外存
- 保護位：表示允許對該頁做何種型別的訪問
- 修改位：該頁在記憶體中是否被修改過（決定是否把它的內容寫回外存）
- 訪問位：該頁面被訪問過則設定此位（用於頁面置換演算法）
（4）缺頁中斷
（5）後備儲存
- 一個虛擬地址空間的頁面可以被對映到一個檔案（在二級儲存中）的某個位置
- 程式碼段：對映到可執行二進位制檔案
- 動態載入的共享庫程式段：對映到動態呼叫的庫檔案
- 其他段：可能被對映到交換檔案
五、頁面置換演算法
1、功能
當缺頁中斷髮生，需要調入新的頁面而記憶體已滿時，選擇記憶體中哪個物理頁面被置換
2、目標
儘可能地減少頁面的換進換出次數（即缺頁中斷的次數）
3、最優頁面置換演算法（區域性頁面置換演算法1）
（1）基本思路：距離下一次訪問等待時間最長的邏輯頁面作為置換的頁面
（2）理想情況，可作為其他演算法的效能評價的依據
4、先進先出演算法FIFO（區域性頁面置換演算法2）
（1）基本思路
- 選擇在記憶體中駐留時間最長的頁面並淘汰之
- 當發生一個缺頁中斷時，把鏈首頁面淘汰出去，把新的頁面新增到連結串列的末尾
（2）效能較差，並且有 belady 現象
5、最近最久未使用演算法 LRU（區域性頁面置換演算法3）
（1）基本思路
選擇最久未使用的那個頁面，並淘汰之
（2）最優頁面置換演算法的近似，基於程式的區域性性原理
（3）LRU 演算法需要記錄各個頁面使用時間的先後順序，開銷比較大
（4）實現方法
- 系統維護一個頁面連結串列
- 設定一個活動頁面棧
6、時鐘頁面置換演算法（區域性頁面置換演算法4）
基本思路：
（1）LRU的近似，FIFO的改進
（2）裝入記憶體頁面的頁表項的訪問位初始化為0，被訪問置為1；各個頁面組織成環形連結串列，指標指向最老頁面
7、二次機會法
（1）修改 clock 演算法，使它允許髒頁總是在一次時鐘頭掃描中保留下來，同事使用髒位和使用位來指導置換
（2）Enhanced Clock algorithm
| used | dirty | used | dirty | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | —> | replace page | |
| 0 | 1 | —> | 0 | 0 |
| 1 | 0 | —> | 0 | 0 |
| 1 | 1 | —> | 0 | 1 |
8、最不常用演算法 LFU（區域性頁面置換演算法5）
（1）基本思路
當一個缺頁中斷髮生時，選擇訪問次數最少的那個頁淘汰之
（2）實現方法
對每個頁面設定一個訪問計數器，每當一個頁面被訪問時，該頁面的訪問計數器加一。在發生缺頁中斷時，淘汰技術值最小的那個頁面
（3）LRU和LFU的區別
LRU考察的是多久未訪問，時間越短越好；而LFU考察的是訪問的次數或頻度，訪問次數越多越好
9、Belady 現象
（1）現象
在採用 FIFO 演算法時，有時會出現分配的物理頁面數增加，缺頁率反而提高的異常現象
（2）原因
FIFO 演算法的置換特徵與程序訪問記憶體的動態特徵是矛盾的，與置換演算法的目標是不一致的（即替換較少使用的頁面）
因此，被它置換出去的頁面並不一定是程序不會訪問的
（3）LRU頁面置換演算法沒有Belady現象
10、LRU、FIFO、Clock 的比較
（1）LRU、FIFO 本質上都是先進先出的思路
（2）LRU 是針對頁面的最近訪問時間來排序、開銷大
（3）FIFO 是針對頁面進入記憶體的時間來排序、開銷小
（4）如果一個頁面進入記憶體後沒有被訪問，那麼它的最近訪問時間就是它進入記憶體的時間。即 LRU 退化為 FIFO