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操作系统---内存管理之虚拟内存

news 来源：原创 2025/6/25 7:07:12

文章目录

1. 虚拟内存的基本概念
- 1.1 传统存储管理方式的特征、缺点
- 1.2 局部性原理
- 1.3 虚拟内存的定义和特征
- 1.4 如何实现虚拟内存技术
- 1.5 总结
2. 请求分页管理方式
- 2.1 页表机制
- 2.2 缺页中断机构
- 2.3 地址变换机构
- 2.4 总结
3. 页面置换算法
- 3.1 最佳置换算法（理想型）
- 3.2 先进先出置换算法（FIFO）
- 3.3 最近最久未使用置换算法（LRU）
- 3.4 时钟置换算法（CLOCK）
- 3.5 改进型的时钟置换算法
- 3.6 总结
4. 页面分配策略
- 4.2 页面分配、置换策略
- - 4.2.1 前提引入
  - 4.2.2 具体介绍
- 4.3 何时调入页面
- 4.4 何处调入页面
- 4.5 抖动（颠簸）现象
- 4.6 工作集
- 4.7 总结
5. 进程的内存映像
- 5.1 怎么个事
- 5.2 可能考法

1. 虚拟内存的基本概念

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1.1 传统存储管理方式的特征、缺点

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一次性：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：①作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行；②当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降
驻留性：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源

1.2 局部性原理

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的循环）
空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。（因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的）

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1.3 虚拟内存的定义和特征

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虚拟内存有以下三个主要特征：

多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出
虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量远大于实际的容量

1.4 如何实现虚拟内存技术

虚拟内存技术，允许一个作业分多次调入内存。如果采用连续的分配方式，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

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1.5 总结

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2. 请求分页管理方式

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2.1 页表机制

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2.2 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

缺页中断处理步骤：

先将缺页的进程阻塞，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。未修改过的页面不用写回外存

缺页中断的理解：

缺页中断是因为当前执行的指令想要访问的目标页面未调入内存而产生的，因此属于内中断（异常）
一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。（如：copy A to B，即将逻辑地址A中的数据复制到逻辑地址B，而A、B属于不同的页面，则有可能产生两次中断）

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2.3 地址变换机构

新增步骤：

1. 请求调页（查到页表项时进行判断）
1. 页面置换（需要调入页面，但没有空闲内存块时进行）
1. 需要修改请求页表中新增的表项

流程图如下：

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补充细节：

1. 只有“写指令”才需要修改“修改位”。并且，一般来说只需修改快表中的数据，只有要将快表项删除时才需要写回内存中的慢表。这样可以减少访存次数
1. 和普通的中断处理一样，缺页中断处理依然需要保留CPU现场
1. 需要用某种“页面置换算法”来决定一个换出页面
1. 换入/换出页面都需要启动慢速的I/O操作，可见，如果换入/换出太频繁，会有很大的开销
1. 页面调入内存后，需要修改慢表，同时也需要将表项复制到快表中

在具有快表机构的请求分页系统中，访问一个逻辑地址时，若发生缺页，则地址变换步骤是：

1. 查快表(未命中) — — 查慢表(发现未调入内存) — — 调页(调入的页面对应的表项会直接加入快表)
1. 查快表(命中) — — 访问目标内存单元

2.4 总结

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3. 页面置换算法

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3.1 最佳置换算法（理想型）

最佳置换算法（OPT，Optimal）：每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证最低的缺页率
最佳置换算法可以保证最低的缺页率，但实际上，只有在进程执行的过程中才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问序列。因此，最佳置换算法是无法实现的，但可以利用该算法去评价其他算法

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3.2 先进先出置换算法（FIFO）

先进先出置换算法（FIFO）：每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面
实现方法：把调入内存的页面根据调入的先后顺序排成一个队列，需要换出页面时选择队头页面即可。队列的最大长度取决于系统为进程分配了多少个内存块

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这种现象叫Belady异常 — — 当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 算法会产生 Belady 异常。另外，FIFO算法虽然实现简单，但是该算法与进程实际运行时的规律不适应，因为先进入的页面也有可能最经常被访问。因此，算法性能差

3.3 最近最久未使用置换算法（LRU）

最近最久未使用置换算法（LRU，least recently used）：每次淘汰的页面是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。当需要淘汰一个页面时，选择现有页面中 t 值最大的，即最近最久未使用的页面
该算法的实现需要专门的硬件支持，虽然算法性能好，但是实现困难，开销大

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3.4 时钟置换算法（CLOCK）

最佳置换算法性能最好，但无法实现；先进先出置换算法实现简单，但算法性能差；最近最久未使用置换算法性能好，是最接近OPT算法性能的，但是实现起来需要专门的硬件支持，算法开销大
时钟置换算法是一种性能和开销较均衡的算法，又称CLOCK算法，或最近未用算法（NRU，Not Recently Used）
简单的CLOCK 算法实现方法：为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1。当需要淘汰一个页面时，只需检查页的访问位。如果是0，就选择该页换出；如果是1，则将它置为0，暂不换出，继续检查下一个页面，若第一轮扫描中所有页面都是1，则将这些页面的访问位依次置为0后，再进行第二轮扫描（第二轮扫描中一定会有访问位为0的页面，因此简单的CLOCK 算法选择一个淘汰页面最多会经过两轮扫描）

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复习于此需手动模拟上述例子加深理解

3.5 改进型的时钟置换算法

简单的时钟置换算法仅考虑到一个页面最近是否被访问过。事实上，如果被淘汰的页面没有被修改过，就不需要执行I/O操作写回外存。只有被淘汰的页面被修改过时，才需要写回外存
因此，除了考虑一个页面最近有没有被访问过之外，操作系统还应考虑页面有没有被修改过。在其他条件都相同时，应优先淘汰没有修改过的页面，避免I/O操作。这就是改进型的时钟置换算法的思想
修改位=0，表示页面没有被修改过；修改位=1，表示页面被修改过。为方便讨论，用（访问位A，修改位M）的形式表示各页面状态。如（1，1）表示一个页面近期被访问过，且被修改过

规则怪谈：