[管理學]第四章存儲器管理-資料下載頁

　　

【正文】 虛擬存儲技術 虛存 ：把內存與外存有機的結合起來使用，從而得到一個容量很大的“內存”，這就是虛存 實現思想 ：當進程運行時，先將一部分程序裝入內存，另一部分暫時留在外存，當要執行的指令不在內存時，由系統自動完成將它們從外存調入內存工作 目的 ： 提高內存利用率 虛擬存儲器的基本概念 虛擬頁式存儲管理 基本工作原理 在進程開始運行之前，不是裝入全部頁面，而是裝入一個或零個頁面，之后根據進程運行的需要，動態裝入其它頁面；當內存空間已滿，而又需要裝入新的頁面時，則根據某種算法淘汰某個頁面，以便裝入新的頁面 虛擬存儲器的基本概念 頁表表項 中斷位（駐留位）： 表示該頁是在內存還是在外存 訪問位： 根據訪問位來決定淘汰哪頁（由不同的算法決定） 修改位： 查看此頁是否在內存中被修改過 頁號 中斷位 內存塊號 外存地址 訪問位 修改位 虛擬存儲器的基本概念 ?缺頁中斷（ Page Fault） ?在地址映射過程中，在頁表中發現所要訪問的頁不在內存，則產生缺頁中斷。操作系統接到此中斷信號后，就調出缺頁中斷處理程序，根據頁表中給出的外存地址，將該頁調入內存，使作業繼續運行下去 虛擬存儲器的基本概念 虛擬存儲器的基本概念 ?如果內存中有空閑塊，則分配一頁，將新調入頁裝入內存，并修改頁表中相應頁表項目的駐留位及相應的內存塊號 ?若此時內存中沒有空閑塊，則要淘汰某頁，若該頁在內存期間被 修改 過，則要將其 寫回 外存 ?頁面淘汰算法 ?先進先出頁面淘汰算法（ FIFO） 選擇在內存中駐留時間最長的頁并淘汰之 ?第二次機會淘汰算法 (SCR) 按照先進先出算法選擇某一頁面，檢查其訪問位，如果為 0，則淘汰該頁，如果為 1，則給第二次機會，并將訪問位置 0 ?理想淘汰算法 — 最佳頁面算法（ OPT） 淘汰以后不再需要的或最遠的將來才會用到的頁面 虛擬存儲器的基本概念 ?最近最少使用頁面淘汰算法（ LRU） 選擇最后一次訪問時間距離當前時間最長的一頁并淘汰之 即淘汰沒有使用的時間最長的頁 實現代價很高 時間戳或硬件方法 虛擬存儲器的基本概念 例子 1：計算缺頁次數 某程序在內存中分配三個頁面，初始為空，頁面走向為 4， 3， 2， 1， 4， 3， 5， 4，3， 2， 1， 5 虛擬存儲器的基本概念 FIFO 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 頁 1 4 3 2 1 4 3 5 5 5 2 1 1 頁 2 4 3 2 1 4 3 3 3 5 2 2 頁 3 4 3 2 1 4 4 4 3 5 5 x x x x x x x ? ? x x ? 共缺頁中斷 9次 虛擬存儲器的基本概念 LRU 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 頁 1 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 頁 2 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 頁 3 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 x x x x x x x ? ? x x x 共缺頁中斷 10次 虛擬存儲器的基本概念 OPT 4 3 2 1 4 3 5 4 3 2 1 5 頁 1 4 3 2 1 1 1 5 5 5 2 1 1 頁 2 4 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 頁 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 x x x x ? ? x ? ? x x ? 共缺頁中斷 7次 虛擬存儲器的基本概念 例子 2：計算缺頁次數 某程序在內存中分配 m頁初始為空，頁面走向為 1， 2， 3， 4， 1， 2， 5， 1， 2， 3，4， 5。當 m=3， m=4時缺頁中斷分別為多少？用 FIFO算法 課堂練習： 分別用 LRU， OPT算法計算缺頁中斷次數 虛擬存儲器的基本概念 例子 2：計算缺頁次數 m=3時，缺頁中斷 9次 m=4時，缺頁中斷 10次 注： FIFO頁面淘汰算法會產生異常現象（ Belady現象 :顛簸 ），即：當分配給進程的物理頁面數增加時，缺頁次數反而增加 虛擬存儲器的基本概念 影響缺頁次數的因素 (1) 分配給進程的物理頁面數 (2) 頁面本身的大小 (3) 程序的編制方法 (4) 頁面淘汰算法 虛擬存儲器的基本概念 性能問題 顛簸（抖動） 在虛存中，頁面在內存與外存之間頻繁調度，以至于調度頁面所需時間比進程實際運行的時間還多，此時系統效率急劇下降，甚至導致系統崩潰。這種現象稱為顛簸或抖動 原因： ?頁面淘汰算法不合理 ?分配給進程的物理頁面數太少 虛擬存儲器的基本概念 工作集（ Working Set）模型 基本思想 ： 根據程序的局部性原理，一般情況下，進程在一段時間內總是集中訪問一些頁面，這些頁面稱為活躍頁面，如果分配給一個進程的物理頁面數太少了，使該進程所需的活躍頁面不能全部裝入內存，則進程在運行過程中將頻繁發生中斷 如果能為進程提供與活躍頁面數相等的物理頁面數，則可減少缺頁中斷次數 虛擬存儲器的基本概念 對于給定的訪問序列選取定長的區間，稱為工作集窗口，落在工作集窗口中的頁面集合稱為工作集 內容取決于頁的三個因素： ? 訪頁序列特性 ? 時刻 Ti ? 窗口長度 (△ ) 虛擬存儲器的基本概念 例： 26157775162341234443434441328674 | t1 | | t2 | ws(t1)={1,2,5,6,7} ws(t2)={3,4} 虛擬存儲器的基本概念 虛擬存儲器的基本概念 ? 課堂練習 上例中，采用工作集算法，總共需要分配多少頁面才能保證在程序執行過程中不發生缺頁中斷。 如果采用 FIFO算法，初始頁面數為工作集長度，計算缺頁中斷次數。 LRU與 OPT算法呢？ 虛擬段式存儲管理 段表內容 增加：特征位（在 /不在內存，是否可共享），存取權限位（讀，寫，執行），標志位（是否修改過，能否移動），擴充位（固定長 /可擴充 ） 虛擬存儲器的基本概念 越界中斷處理 進程在執行過程中，有時需要擴大分段，如數據段。由于要訪問的地址超出原有的段長，所以有 越界中斷 。操作系統處理中斷時 ，首先判斷該段的“擴充位”，如可擴充，則增加段的長度；否則按出錯處理 虛擬存儲器的基本概念 缺段中斷處理 檢查內存中是否有足夠的空閑空間 ①若有，則裝入該段，修改有關數據結構，中斷返回 ②若沒有，檢查內存中空閑區的總和是否滿足要求，是則應采用緊縮技術，轉① ；否則，淘汰一（些）段，轉① 虛擬存儲器的基本概念 虛擬存儲器的特征 1. 多次性 2. 對換性 3. 虛擬性 虛擬存儲器的基本概念 交換技術與覆蓋技術 在多道環境下擴充內存的方法，用以解決在較小的存儲空間中運行較大程序時遇到的矛盾 覆蓋技術主要用在早期的操作系統中 交換技術被廣泛用于小型分時系統中，交換技術的發展導致了虛存技術的出現 交換技術與覆蓋技術共同點： 進程的程序和數據主要放在外存，當前需要執行的部分放在內存，內外存之間進行信息交換 不同點：如何控制交換？ 交換技術與覆蓋技術 虛擬存儲的實現 虛擬存儲空間 物理存儲空間 請求調頁 請求調段 交換與覆蓋