第1个回答 2022-06-03
传统存储管理
特征
时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问（因为程序中存在大量循环）
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元很有可能被访问（因为很多数据在内存中是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的
寄存器
高速缓存
内存
外存（如磁盘、磁带等）
越往上容量越小，访问速度越快，成本越高
越往下容量越大，访问速度越慢，成本越低
高速缓存技术的思想：将近期会频繁访问到的数据放到更高速的存储器中，暂时用不到的数据放在更低速存储器中
快表机构就是将近期常访问的页表项副本放到更高速的cache中
基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快就会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行
在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序
若内存空间不够，由操作系统将内存中暂时用不到的信息换出到外存
因此，在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存
操作系统虚拟性的一个体现，实际的物理内存大小没有变，只是在逻辑上进行了扩充
虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU寻址范围）确定的
虚拟内存的实际容量 = min(内存外存容量之和，CPU寻址范围)
虚拟内存有以下三个主要特征
虚拟内存技术，允许一个作业多次调入内存。如果采用连续分配方式，会不方便实现。因此，虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上
传统的非连续分配存储管理
基本分页存储管理
基本分段存储管理
基本段页式存储管理
虚拟内存的实现
请求分页存储管理
请求分段存储管理
请求段页式存储管理
主要区别：在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存
操作系统要提供请求调页/段功能、页面/段置换功能
请求分页存储管理和基本分页存储管理的主要区别
页表机制
页表项：内存块号、状态位、访问字段、修改位、外存地址，页号时隐含的
内存块号是页面在内存中对应的页框号，如果状态位为0，则内存块号为无
状态位表示是否已被调入内存
访问字段记录最近被访问过几次，或者上次访问时间，由此操作系统能够提供置换算法
修改位记录页面被调入内存后是否被修改过，如果没有，就不需要浪费时间写回外存
外存地址是页面在外存中的存放位置
缺页中断机构
在请求分页系统中，每当要访问的页面不在内存时，便会产生一个缺页中断，然后由操作系统的缺页中断处理程序处理中断（内中断）
此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列
如果内存中有空闲块，则为进程分配一个空闲块，将所缺页面装入该块，并修改页表中相应的页表项
如果内存中没有空闲块，则由页面置换算法选择一个页面淘汰，若该页面在内存期间被修改过，则要将其写回外存，为修改过的页面不用写回外存
一条指令再执行期间可能产生多次缺页中断（copy A to B）
新增的步骤
页面的换入、换出需要磁盘IO，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率
缺页中断≠页面置换
发生缺页中断会发生调页，只有内存块满了才发生页面置换
最佳置换算法OPT：每次淘汰以后永不使用或最长时间内不再被访问的页面
理想化的算法，很难实现
先进先出算法FIFO：每次淘汰最先进入内存的页面
实现：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成队列，页面置换时换出队头页面，新调入的页面排到队尾
优点：实现简单
缺点1：belady异常，为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。只有FIFO会产生belady异常。
缺点2：算法与进程实际运行时的规律不适应，因为先调入的页面有可能最经常被访问，因此算法性能差
最近最久未使用置换算法LRU：淘汰最近最久未使用的页面
实现方法：赋予每个页面对应的页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来所经历的时间t
优点：性能最接近OPT
缺点：实现困难、开销大
时钟置换算法CLOCK/NRU
简单NRU：为每一个页表项设置一个访问位，再将内存中的页面都通过连接指针连成一个循环队列，当某页被访问时，访问位为1，只需检查页的访问位。如果为0，就将该页换出，否则将其改为0，暂不换出，继续向后扫描，若第一轮扫描都是1，将这也页面的访问位改为0后，进行第二轮扫描，第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，将其换出。因此最多经过两轮扫描
改进NRU：如果淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行IO操作，只有淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存。因此，同时考虑最近有无访问和有无修改，在其他条件相同时，优先淘汰没有修改过的页面，避免IO操作
第一轮：找到第一个访问位和修改位都为0的页面进行替换，如果没有找到进行下一轮扫描
第二轮：查找第一个访问位为0，修改位为1的页面进行替换，本轮将所有被扫描过的访问位设置为0，如果没有进行下一轮扫描
第三轮：查找0，0替换否则下一轮
第四轮：查找0，1替换
最多会进行四轮扫描
驻留集：请求分页管理中给进程分配的物理块的集合
在采用了虚拟存储技术的系统中，驻留集大小一般小于进程的总大小
驻留集太小，导致缺页频繁，系统要花大量时间处理缺页，实际用于进程推进的时间很少
驻留集太大，会导致多道程序并发度下降，资源利用率降低
固定分配：操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变
可变分配：先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况作适当的增加或减少
局部置换：发生缺页时只能选进程自己的物理地址块进行置换
全局置换：可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换到外存，再分配给缺页进程
不存在固定分配全局置换的策略，因为全局置换意味着一个进程拥有的物理块数量必然改变
其他三种组合存在
固定分配局部置换：系统为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发生缺页，并且需要进行页面置换，则只能从该进程在内存中的页面中选出一页换出，然后再调入需要的页面
缺点：很难在刚开始就确定应为每个进程分配多少个物理地址块才算合理（采用这种策略的系统可以根据进程大小、优先级、或是根据程序员给出的参数来确定为一个进程分配的内存块数
可变分配全局置换：刚开始会为进程分配一定数量的物理块。操作系统会保持一个空闲物理块队列，当某进程发生缺页时，从空闲物理块中取出一块分给该进程；若无空闲物理块，则选择一个未锁定的页面换出到外存，再将该物理块分配给缺页的进程。采用这种策略时，只要某进程发生缺页，都将获得新的物理块，仅当空闲物理块用完时，系统才选择一个未锁定的页面调出。被选择调出的页面可能是系统中任何一个进程的页面，因此这个被选中的进程拥有的物理块会减少，缺页率会增加
只要缺页就给该进程分配新的物理块
可变分配局部置换：刚开始会为每个进程分配一定数量的物理块，当某进程发生缺页时，只允许从该进程自己的物理块中选出一个进行页面置换。如果进程在运行过程中频繁缺页，系统会为该进程多分配几个物理块，直至该进程缺页率趋于适当程度；反之，如果缺页率太低，就是当减少分配给该进程的内存块数
要根据发生缺页的频率来动态增加或减少进程的物理块
何时调入页面
从何处调入页面
对换区：读写速度更快，采用连续分配方式
文件区：读写速度更慢，采用离散分配方式
抖动/颠簸现象：刚刚换出的页面马上要换入内存，刚刚换入的页面马上要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动/颠簸
主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数（分配给进程的物理块不够）
为进程分配物理块太少会使进程发生抖动现象，为进程分配的物理块太多会降低系统的并发度降低某些资源的利用率。因此提出了“工作集”的概念
工作集：在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合
驻留集：请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合
驻留集不能小于工作集，否则进程运行过程中将频繁缺页