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1、操作系统,主讲教师：周会娟 四院二教,5.1 虚拟存储器的基本概念,简单存储器的特征一次性：作业在运行前一次性地装入内存驻留性：作业装入内存后，便一直驻留在内存直至作业运行结束,简单存储器管理方式，都要求将一个作业全部装入内存方能运行。于是出现以下两种情况：有的作业很大，所要求的内存空间超过了内存的总容量；有大量的作业要求运行，但由于内存容量不足，难以容纳所有的作业。,虚拟存储器的引入,可以从两个方面解决上述问题：1）从物理上增加内存容量；2）从逻辑上扩充内存的容量。,一次性及驻留性带来的问题:会使许多在进程运行时不用的或暂时不用的程序（数据）占据大量的内存空间;使一些需要运行的作业无法装入运
2、行。我们现在要研究的问题是：一次性及驻留性是否是程序运行时所必需的？,局部性原理,问题的提出(P.Denning)程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短时间内，程序的执行仅限于某个部分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。,局部性的表现方式时间局部性：一个数据结构被访问，不久可能再次被访问。典型原因：程序中存在大量的循环操作空间局部性：一段时间访问的地址可能集中在一定范围。典型原因：程序顺序执行,虚拟存储器定义,什么是虚拟存储？定义：具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。它把内存与外存有机结合起来使用，构成容量很大的“内存”。,虚拟存储器定义,实
3、现思想：当进程运行时，先将一部分程序装入内存，另一部分暂时留在外存，当要执行的指令不在内存时，由系统自动将它们从外存调入内存。,实现虚拟存储的一般过程,进程运行之前，将部分页面（段）调入内存，其他部分放在外存。进程运行时，如果它所访问的页面（段）在内存中，则继续运行。,实现虚拟存储的一般过程,如果所访问的页面（段）不在内存，则发生缺页（段）中断，进程阻塞。系统启动请求调页（段）功能，将所需页面（段）调入内存。如果内存已满，需要运用交换技术，腾出空间之后将所需页（段）调入，继续运行。,实现虚拟存储的典型过程,虚拟存储器的技术支持,虚拟存储器管理的技术支持必须有相应的硬件支持，用以实现虚拟分页和虚
4、拟分段存储管理；操作系统必须提供相应的软件支持，管理页或段在内存和外存之间的移动。,虚拟存储器实现,请求分页系统在简单分页基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能。置换时以页面为单位进行系统提供的硬件支持：请求分页的页表机制；缺页中断机构；地址变换机构。,虚拟存储器实现,请求分段系统在分段的基础上，增加了请求调段功能、分段置换功能置换时以段为单位进行系统提供的硬件支持：请求分段的段表机制；缺段中断机构；地址变换机构。,虚拟存储器实现,段页式系统在段页式的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能Intel 80386支持段页式虚拟存储,虚拟存储器特征,离散性：指在内存分配时采用离散分配方式，离散
5、性是其它特征的基础。多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行。,虚拟存储器特征,对换性：指允许在作业的运行过程中换入、换出。虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。这是虚拟存储器表现出的最重要特征。,虚拟存储器特征,虚拟存储器带来的好处 更大，可以运行大程序，包括超过内存实际容量大小的程序 更多，可以在有限的物理内存中运行更多的程序。,5.2 请求分页存储管理,建立在简单分页存储管理之上，是目前比较常用的一种虚拟存储管理技术.,硬件支持,页表机制在请求分页系统中所需要的主要数据结构，仍是页表。基本作用：将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间的物理地址。请
6、求分页系统中的每个页表项如下图所示：,硬件支持,缺页中断机构与一般中断相同的处理步骤：保护CPU环境、分析中断原因、转入中断处理程序进行处理、恢复CPU环境等步骤。缺页中断和一般的中断相比有如下区别：在指令的执行期间产生和处理中断信号；一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断,缺页中断机构,硬件支持,对硬件的要求 系统中的硬件机构应能够保存多次中断时的状态，并保证最后能返回到中断前产生缺页中断的指令处，继续执行。,硬件支持,地址变换机构请求分页系统中的地址变换机构，是以简单分页系统的地址变换机构为基础，再为实现虚拟存储器而增加了某些功能所形成的。如产生和处理缺页中断，以及从内存中换出一页的功能
7、等,硬件支持,地址变换过程首先去检索快表，试图从中找到访问的页；如果从快表中找到所要访问的页，则修改页表项中的访问字段；如果是写操作，则应将修改位置“1”。然后利用页表项中给出的物理块号和页内地址，形成物理地址。地址变换到此结束。,如果在快表中未找到该页的页表项，则应再到内存中去查找页表，再从找到的页表项中的状态位P，来了解该页是否已调入内存。其结果可能是：该页已调入内存：将页表项写入快表。该页尚未调入内存:产生缺页中断，请求OS调页。,页面分配,为进程分配物理块时要考虑的问题：最少物理块数的确定；物理块分配策略；物理块分配算法。,页面分配,最小物理块数是指能保证进程正常运行所需最小物理块数。
8、与计算机的硬件结构有关。,页面分配,页面分配和置换策略采取两种分配策略，即固定和可变分配策略。采取两种置换策略，即全局置换和局部置换。,页面分配,固定分配局部置换为每个进程分配固定页数的内存空间，整个运行期间不再改变。如果在运行中发现缺页，则只能从该进程在内存的固定页面中选出一页换出，然后再调入一页。,页面分配,难点为每个进程分配多少个页面难以确定。太少，频繁缺页中断，降低系统吞吐量。太多，内存驻留进程减少，可能造成资源空闲。,页面分配,可变分配全局置换先为系统中的每个进程分配一定数目的物理块，而OS自身也保持一个空闲物理块队列。当某进程发现缺页，由系统从空闲的物理块队列中，取出一物理块分配该
9、进程，并将欲调入的缺页装入其中。当空闲物理块用完时，OS从内存中任选一页调出（任意进程）。,页面分配,可变分配局部置换根据进程的类型或程序员的要求，为每个进程分配一定数目的内存空间。当某进程发生缺页时，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，这样就不会影响其它进程的运行。如果进程在运行中频繁地发生缺页中断，则系统再为该进程分配附加的物理块；反之，若一个进程在运行中缺页率低，则此时适当减少分配给该进程的物理块。,页面分配,物理块分配算法平均分配算法：物理块平均分配给各进程；按比例分配算法：按进程大小的比例分配物理块；（系统中共n个进程，每个进程页面数Si，系统中可用物理块数m）,考虑优先权的分
10、配算法：按照作业的重要性、紧迫性进行分配。一般将可供分配的物理块分为两部分：一部分按比例分配；另一部分按优先权适当增加份额。,页面分配,页面调入策略,解决应从何时调入页面和从何处调入页面的问题！应从何时调入页面预调页策略：一次调入若干相邻的页特点：若局部性很差，预先调入的页面并不会很快被使用，反而占据了内存空间，降低了系统效率。目前预调页的成功率仅有50%。主要用于进程的首次调入。,页面调入策略,请求调页策略：进程在运行时，发现其所访问的程序页面不在内存，请求系统将所需页面调入内存。特点：每次仅调入一页，增加磁盘I/O启动频率，系统开销大；易实现。虚拟存储器大多采用此策略。,页面调入策略,应从
11、何处调入页面 系统有足够的存储空间，这时可以全部从对换区调入所需页面，以提高调页的速度。系统缺少足够的对换区空间，这时凡是不会被修改的文件，都直接从文件区调入；但对于那些可能被修改的部分，在将它们换出时，便须调到对换区，以后需要时再从对换区调入。,UNIX方式，凡是未运行过的页，都应从文件区调入。对于曾经运行过而又被换出的页面，从对换区调入。,页面调入过程缺页中断处理程序通过查找页表，得到该页所在外存地址。如果此时内存空闲，能容纳新页，则启动磁盘I/O将所缺之页调入内存，然后修改页表。,如果内存已满，则须先按照某种置换算法，从内存中选出一页准备换出；如果该页未被修改过，可不必将页写入磁盘；但如
12、果该页已被修改，则必须将它重新写入磁盘，然后再将缺页调入内存，并修改页表中的相应表项，再将此页表项写入快表中。据修改后的页表形成去访问数据的物理地址。,页面调入策略,缺页率假设进程在运行过程中，访问成功的次数为S，访问页面失败的次数为F,则缺页率为：f=F/(S+F)页面大小进程所分配物理块数页面置换算法程序固有特性,有一矩阵“int A100100”以行优先进行存储。采用虚拟存储系统，物理内存共有3页，其中一页存放程序，其余2页存放数据。假设程序已在内存中占一页，其余2页空闲。,for(int i=0;i99;i+)for(int j=0;j99;j+)Aij=0;,若每页可存放200个整数，程序在执行过程各会发生多少次缺页？如果矩阵以列优先进行存储呢？,
