外存資源管理

外存空間劃分
靜態等長，2i, 稱為一塊(block)，塊是外存分配的基本單位，也是IO傳輸的基本單位。
如果需求不足一個完整塊，會形成塊內“零頭”。由於外存空間很大，塊內零頭忽略。
外存空間分配
空閒塊鏈(慢)：所有空閒塊連成一個鏈
空閒塊表(UNIX)：相連的空閒塊記錄在同一表項中

字位映像圖：用1位表示一個塊的狀態

界地址
每程序佔一組外存連續塊；
每程序佔二組外存連續塊(雙對界)。
頁式
記憶體一頁，外存一塊。記憶體頁與外存塊長度相同。
段式
每段佔外存若干連續塊，程序的多個段之間在外存可以不連續。
段頁式

記憶體一頁，外存一塊。記憶體頁與外存塊長度相同。段內多頁所對應的外存塊可以不連續，一個程序的多段可以分散在外存的不同區域中。

虛擬儲存系統

虛擬儲存
程序部分裝入記憶體，部分（或全部）裝入外存，執行時訪問在外存部分動態調入，記憶體不夠淘汰。

虛擬頁式儲存管理

程序執行前：
      部分(全部)裝入外存，部分裝入記憶體。
程序執行時：
   訪問頁不在記憶體，發生缺頁中斷，中斷處理程式：
        找到訪問頁在外存的地址；
        在記憶體找一空閒頁面；
              如沒有，按淘汰演算法淘汰一個；
             如需要，將淘汰頁面寫回外存，修改頁表和總頁表；
       讀入所需頁面（切換程序）；
       重新啟動中斷指令。

記憶體頁框分配策略(靜態策略)

1. 平均分配：將記憶體中的所有物理頁框等分給進入系統中的程序。如記憶體128頁，程序25個，每個程序5個頁框

 2. 按程序長度比例分配：按程式長度的比例確定分配記憶體的物理頁框數。

         pi共si個頁面；S=si；記憶體共m個頁框
         分配給程序pi的物理頁框數ai=(si/S)*m
例：記憶體物理頁框62，系統2個程序，p1邏輯頁面127，p2邏輯頁面10，則p1分得57個物理頁框，p2分得5個物理頁框。

3. 按程序優先順序比例分配：根據優先級別按比例分配記憶體物理頁面。方法2中si表示程序pi的優先順序。    
4. 按程序長度和優先級別比例分配：方法2和方法3的結合。此時，方法2中si為程序pi邏輯頁面數與優先順序之和。


     以上4種方法都是靜態的，靜態策略沒有反映：
　　(1)程式結構；
　　(2)程式在不同時刻的行為特性。

外存塊的分配策略

 1. 靜態分配：
            外存保持程序的全部頁面，當某一外存頁面被調入內
            存，所佔用的外存頁面並不釋放：
            優點：速度快--淘汰時不必寫回(未修改情況)
            缺點：外存浪費
    2. 動態分配
            外存僅保持程序不在記憶體的頁面，當某一外存頁面被調
            入記憶體，將釋放所佔用的外存頁面：
            優點：節省外存
            缺點：速度慢--淘汰時必須寫回

頁面調入時機

 1.  請調(demand paging)
         upon page fault, 發生缺頁中斷時調入。
         缺點：從缺頁中斷到所需頁面被調入記憶體，期間對應的進
         程需要等待，將影響程序的推進速度。
    2.  預調(prepaging)
         before page fault, 將要訪問時調入(根據程式順序行為，
         不一定準)。預調可以節省因頁故障而等待的時間。
         當訪問預先未調入記憶體的頁面時，會發生缺頁中斷，因此
         預調必須輔以請調。

置換演算法(replacement algorithm)

最佳淘汰演算法(OPT--optimal)：淘汰以後不再需要的或者在最長時間以後才會用到的頁面。

先進先出(FIFO)：淘汰最先調入記憶體的頁面。
         依據: 先進入的可能已經使用完畢。
         實現：將所有頁面按照進入記憶體的次序排成一個佇列，當一個頁面由外存調入記憶體時排入隊尾，當需要淘汰時取隊頭頁面。

使用過最久的先淘汰（LRU）
         淘汰最近一次訪問時間距離當前時間間隔最長的頁面。stack
      當一頁面被訪問時，如在棧中，取出壓到棧頂；否則直接壓入棧頂，滿時淘汰棧底。
最近不用的先淘汰(not used recently,NUR):淘汰最近一段時間未用過的頁面。
在實現時，為每一個頁面增加兩個硬體位，分別為
①引用位=0，此頁未被訪問過；
②引用位=1，此頁曾被訪問過；
③修改位=0，此頁未被修改過；
④修改位=1，此頁曾被修改過。

一個頁面由外存調入記憶體時，其引用位和修改位均為0.當對某頁面執行寫操作時，其引用位和修改位均為1；當對某頁執行讀操作時，其引用位為1；每隔固定時間將所有引用位清零。

 最不經常使用的先淘汰(LFU)：  淘汰使用次數最少的。

    依據: 活躍訪問頁面應有較大的訪問次數.

最經常使用的先淘汰(MFU)

    淘汰使用次數最多的。

二次機會：淘汰裝入最久且最近未被訪問的頁面。

實現時：採用拉鍊資料結構。

時鐘演算法：將頁面組織成環形，有一個指標指向當前位置。每次需要淘汰頁面時，從指標所指的頁面開始檢查。如果當前頁面的訪問位為0，即從上次檢測到目前，該頁沒有訪問過，則將該頁替換。如果當前頁面的訪問位為1，則將其清0，並順時針移動指標到下一個位置。重複上述步驟直至找到一個訪問位為0的頁面。

考慮修改標誌m
r=0, m=0：最佳
r=0, m=1：次佳，淘汰前回寫
r=1, m=0：再次
r=1, m=1：最後，淘汰前寫回

改進時鐘演算法：

步驟1：
由指標當前位置開始掃描，選擇最佳淘汰頁面，不改變引用位，將第一個遇到的r=0且m=0的頁面作為淘汰頁面；
步驟2：
如步驟1失敗，再次從原位置開始，找r=0且m=1的頁面，將第一個滿足上述要求的頁面作為淘汰頁面，同時將掃描過頁面的r位清0；
步驟3：
若步驟2失敗，指標再次回到原位置，重新執行步驟1。若還失敗再次執行步驟2，此時定能找到。

顛簸(thrashing)

    頁面在記憶體與外存之間頻繁換入換出。
    原因：(1) 分給程序物理頁架過少；
                (2) 淘汰演算法不合理；
                (3) 程式結構不好。
    處理：(1) 增加分給程序物理頁架數；
　　　　(2) 改進淘汰演算法；
　　　　(3) 改善程式結構。
在某些虛擬頁式儲存管理系統中，記憶體中總保持一個空閒的物理頁框，這樣做有什麼好處？
       答：在記憶體沒有空閒頁框的情況下，需要按照置換演算法淘汰一個記憶體頁框，然後讀入所缺頁面，缺頁程序一般需要等待兩次I/O傳輸。

      若記憶體總保持一個空閒頁框，當發生頁故障時，所缺頁面可以被立即調入記憶體，缺頁程序只需等待一次I/O傳輸時間。讀入後立即淘汰一個記憶體頁面，此時可能也需執行一次I/O傳輸，但對缺頁程序來說不需等待，因而提高了響應速度。

工作集模型：程序在一段時間內所訪問頁面的集合。

與時間和視窗尺寸有關

頁故障率反饋模型

PFFB(Page Fault Feed Back)：動態調整頁面的分配
頁故障率高(達到某上界閾值)：記憶體頁框少，增加。
頁故障率低(達到某下界閾值)：記憶體頁框多，減少。

虛擬段式儲存系統

程序執行前，主程式段裝入記憶體，其它段裝入外存，訪問段不再記憶體時，發生缺段中斷。
若記憶體空間不夠
緊湊：將記憶體中的所有空閒區合併
淘汰：將記憶體中的某段移至外存

段的動態連線

動態連線 vs. 靜態連線
靜態連線：執行前連線，由link完成(對程式庫進行掃描，將整個程式涉及到的目標模組逐個調入記憶體並連線在一起)；一個程式共有多少個段是確定的，因而link可以為每一個段分配一個段號；
動態連線：執行時連線，由OS完成.(在程式執行過程中需要某一個段時才將該段連線上)；一個程式共有多少個段是不確定的，因而段名到段號的轉換需要由作業系統來完成的。

動態連線與共享的矛盾

動態連線：修改連線字（程式碼）
段的共享：要求純程式碼（pure code)
解決方法
共享程式碼分為“純段”和“雜段”
純段共享，
雜段私用。

 虛擬段頁式儲存系統

一個段對應一個程式單位，是二維地址
方便儲存共享和保護
可以實現段長度的動態變化，以及段間的動態連線

但對儲存空間的分配和去配較複雜，可能形成碎片

中斷處理：

 連線中斷  缺頁中斷   越界中斷  （段號，段內頁號）  越權中斷

分頁對使用者是透明的，分段對使用者是可見的