操作系統(tǒng)原理第八章虛擬存儲管理技術(shù)課件

第八章虛擬存儲管理技術(shù)實(shí)存儲管理技術(shù)要求把進(jìn)程全部裝入內(nèi)存才能運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，會出現(xiàn)兩種可能：1）

要求運(yùn)行的進(jìn)程所需的內(nèi)存空間大于系統(tǒng)的內(nèi)存空間，只有部分進(jìn)程能夠裝入內(nèi)存運(yùn)行，而其他進(jìn)程只有留在外存中等待。2）

邏輯地址空間大于存儲空間的進(jìn)程無法在系統(tǒng)中運(yùn)行。兩種解決方案：從物理上增加內(nèi)存容量或從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量（虛擬存儲）一、虛擬存儲器的概念

1、局部性原理局部性原理(principleoflocality)：指程序在執(zhí)行過程中的一個較短時期，所執(zhí)行的指令地址和指令的操作數(shù)地址，分別局限于一定區(qū)域。

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時間局限性–

空間局限性局部性原理是實(shí)現(xiàn)虛擬存儲器的理論基礎(chǔ)。

2、虛擬存儲器?

在程序裝入時，不必將其全部讀入到內(nèi)存，而只需將當(dāng)前需要執(zhí)行的部分頁或段讀入到內(nèi)存，就可讓程序開始執(zhí)行。?

在程序執(zhí)行過程中，如果需執(zhí)行的指令或訪問的數(shù)據(jù)尚未在內(nèi)存（稱為缺頁或缺段），則由處理器通知操作系統(tǒng)將相應(yīng)的頁或段調(diào)入到內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。?

另一方面，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時不使用的頁或段調(diào)出保存在外存上，從而騰出空間存放將要裝入的程序以及將要調(diào)入的頁或段。只需程序的一部分在內(nèi)存就可執(zhí)行。所謂虛擬存儲器，就是僅把進(jìn)程的一部分裝入內(nèi)存便可運(yùn)行的存儲器系統(tǒng)，它具有請求調(diào)入功能和置換功能，是能從邏輯上對內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充的一種存儲器系統(tǒng)。虛擬存儲器的邏輯容量由系統(tǒng)的尋址能力和外存容量之和所決定。多次性：一個作業(yè)被分成多次調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行；對換性：允許在作業(yè)的運(yùn)行過程中進(jìn)行換進(jìn)、換出；虛擬性：能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，是用戶“看到”的內(nèi)存容量遠(yuǎn)大于實(shí)際大小。該特征是以上兩個特征為基礎(chǔ)的。在分頁式存儲管理的基礎(chǔ)上，增加了請求調(diào)頁功能、頁面置換功能而形成的頁式虛擬存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)需要解決下面三個問題：?1）系統(tǒng)如何獲知進(jìn)程當(dāng)前所需頁面不在主存。?

2）

當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺頁時，如何把所缺頁面調(diào)入主存。3）當(dāng)主存中沒有空閑的頁框時，為了要接受一個新頁，需要把老的一頁淘汰出去，根據(jù)什么策略選擇欲淘汰的頁面。

1、請求分頁式存儲管理的基本概念1）基本原理運(yùn)行前將一部分頁面裝入內(nèi)存，另外一部分頁面則裝入外存。在程序運(yùn)行過程中，如果所訪問的頁面不再內(nèi)存中，則發(fā)生缺頁中斷，操作系統(tǒng)進(jìn)行頁面動態(tài)調(diào)度：a）

找到被訪問頁面在外存中的地址。b）

在內(nèi)存中找一個空閑塊，如果沒有，則按照淘汰算法選擇一個內(nèi)存塊，將此塊內(nèi)容寫回外存，修改頁表。c）

讀入所需得頁面，修改頁表。d）重新啟動進(jìn)程，執(zhí)行被中斷的指令。

3）地址變換機(jī)構(gòu)圖8-22、內(nèi)存分配策略1）內(nèi)存頁面分配策略a）平均分配b）按進(jìn)程大小比例分配c）

按進(jìn)程優(yōu)先級比例分配d）按進(jìn)程長度和優(yōu)先級比例分配

2）外存塊的分配策略靜態(tài)分配：一個進(jìn)程在運(yùn)行前，將所有頁面全部裝入外存。當(dāng)一個外存頁面被調(diào)入內(nèi)存，所占用的外存頁面不釋放。動態(tài)分配：一個進(jìn)程運(yùn)行前，僅將沒有裝入內(nèi)存的部分裝入外存，當(dāng)某頁面被調(diào)入內(nèi)存時，釋放所占用的外存空間。3、頁面調(diào)入時機(jī)1）請求調(diào)頁策略發(fā)生缺頁中斷時進(jìn)行頁面調(diào)度2）預(yù)調(diào)頁策略

每次調(diào)入若干個頁面4、頁面調(diào)度算法1）最佳置換算法（OPT）選擇“未來不再使用的”或“在離當(dāng)前最遠(yuǎn)位置上出現(xiàn)的”頁面被置換。這是一種理想情況，是實(shí)際執(zhí)行中無法預(yù)知的，因而不能實(shí)現(xiàn)?？捎米餍阅茉u價的依據(jù)。

假定系統(tǒng)為某進(jìn)程分配了三個物理塊，

并考慮有以下的頁面號引用串：7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1?

Belady現(xiàn)象：采用FIFO算法時，如果對一個進(jìn)程未分配它所要求的全部頁面，有時就會出現(xiàn)分配的頁面數(shù)增多，缺頁率反而提高的異常現(xiàn)象。?

Belady現(xiàn)象的描述：一個進(jìn)程P要訪問M個頁，OS分配N個內(nèi)存頁面給進(jìn)程P；對一個訪問序列S，發(fā)生缺頁次數(shù)為PE（S,N）。當(dāng)N增大時，PE(S,N)時而增大，時而減小。?Belady現(xiàn)象的原因：FIFO算法的置換特征與進(jìn)程訪問內(nèi)存的動態(tài)特征是矛盾的，即被置換的頁面并不是進(jìn)程不會訪問的。

3）最近最久未使用置換算法（LRU）選擇內(nèi)存中最久未使用的頁面被置換。這是局部性原理的合理近似，性能接近最佳算法。但由于需要記錄頁面使用時間的先后關(guān)系，硬件開銷太大。

4）最近未使用置換算法（NRU）近似于LRU算法，不但希望淘汰最近未使用的頁面，還希望被挑選的頁面在內(nèi)存駐留期間，其頁面內(nèi)容沒有給修改過，因此增加兩個硬件位：訪問位和修改位。0和1，0表示未訪問或未修改。由訪問位A和修改位M可以組合成下面四種類型的頁面：1類(A=0,M=0):表示該頁最近既未被訪問，

又未被修改，

是最佳淘汰頁。2類(A=0,M=1)：

表示該頁最近未被訪問，

但已被修改，

并不是很好的淘汰頁。3類(A=1,M=0)：

最近已被訪問，

但未被修改，

該頁有可能再被訪問。4類(A=1,M=1):最近已被訪問且被修改，

該頁可能再被訪問。

5）Clock置換算法將NRU算法改變實(shí)現(xiàn)方式，換成clock頁面，如圖8-3將所有的頁面保存在一個類似時鐘表面的環(huán)形鏈表中，用一個表指針指向可能淘汰的頁面。

補(bǔ)充：影響缺頁次數(shù)的因素1）分配給程序的物理頁數(shù)目分配給程序的物理頁面數(shù)多，則同時裝入內(nèi)存的頁面數(shù)就多，減少了缺頁中斷的次數(shù)，降低了缺頁中斷率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，對一共有n頁的進(jìn)程來說，只要能分到n/2塊內(nèi)存空間就可以使系統(tǒng)獲得最高效率。2）頁面大小頁面大小取決于內(nèi)存快的大小，頁面大每次裝入一頁的信息量就大，減少了缺頁中斷的次數(shù)。

3）程序的編制方法

4）頁面置換算法

5、請求分頁系統(tǒng)的性能分析1）缺頁率對有效訪問時間的影響對存貯器的訪問時間t，缺頁率為p，則有效訪問時間=（1-p）t+p*缺頁中斷時間缺頁中斷時間由三部分組成：缺頁中斷服務(wù)時間，將所缺的頁讀入的時間，進(jìn)程重新執(zhí)行時間，其中第二個所占的時間最長

三、請求分段式存儲器管理方式1、請求分段式存儲管理的基本概念1）基本原理2）段表機(jī)制原來段表中有段名、段長和段的基址，另外需要增加若干項(xiàng)：a）存取方式：存儲屬性（讀、寫