【操作系统】虚拟内存以及页面置换算法

起因

为什么需要虚拟内存？
由于程序规模的增长速度远远大于存储器容量的增长速度。
更大、更快、更便宜的非易失性存储器。

覆盖技术

上世纪80年代末90年代初：

把不会同时执行的模块，共享同一块内存区域。

通过程序间的逻辑调用关系对程序在内存中进行分区。
调用关系不止一种，另外一种如下图所示：

交换技术

将暂时不运行的程序转移到外存中去。

换出（Swap Out）：将进程的整个地址空间的内容保存到外存中。
换入（Swap in）：将外存中的进程的地址空间中的内容读入到内存中。

只在内存不足的时候才做对应的换入换出。

虚存技术

目标

程序局部性原理

C语言中是按照行优先来放置二维数组。

基本概念

基本特征

由于换入换出机制，会将连续的逻辑内存变为不连续。

虚拟页式内存管理

请求调页：需要用到对应页的时候，才会发出请求。
页面置换：把需要的页换进来把不需要的页换出去。


32780对应第八行，驻留位为0，表示缺页，那么此时会触发缺页中断。

不同的存储形式

其他段：程序在运行过程中，可能会产生很多数据，并未对应到具体的文件，也就是动态产生的数据，会被映射到Swap文件。

为什么是1+q?
q表示的对内存页的写操作。并且需要将这个写操作一定换出到外存中，那么换出操作也会做一次写硬盘操作，当前的开销换入和换出的比例就是1+q。

对于EAT公式中，起决定作用的起始是p，如果p足够小，那么对应的开销起始就是10，也就是对应的访问时间。如果程序具有局部性的特点，那么产生的缺页就会很少，那么效率就会很高。

页面置换算法

功能目标

当缺页中断发生时，需要调入新的页面而内存已满时，选择内存当中的那个物理页面被置换。
目标：尽可能地减少页面的换入换出的次数。具体来说，把未来不再使用的或者短期内较少的页面换出。通常只能在局部性原理指导下依据过去的统计数据来进行预测。
页面锁定（frame lock）：用户描述必须常驻内存的操作系统的关键部分或时间关键（time critical）的应用进程。常用的方法是：在页面中添加锁定标志位（lock bit）

最优页面置换算法

在替换e的，应该是离下一次访问最远的页。

所以最远的是d,故替换d。

先进先出算法

先进先出算法：淘汰内存中驻留最久的。

Belady现象：给的物理页帧越多，反而越容易出现缺页中断。

最近最久未使用算法（LRU）

Least Recently Used
原理：程序的时间和空间的局部性。


使用链表或者是使用栈来实现。

时钟页面置换算法

依据是页表中accessbit（Used bit）来看。

指针指向过的区域如果为1，那么会清为0，直到找到初始为0的。

贴近LRU效果，但比LRU算法略差。

二次机会法

将used bit 和 dirty bit 结合起来，来淘汰对应的页。

指针每指一次，那么对应的标志位被降级，降级的路径如黄色表中所示。

最不常用算法（LFU）

Least Frequently Used

把时间因素也考虑进去，可以一段时间后把频度给左移一位。相当于每隔一段时间除2。

belady现象

在采用FIFO现象时，有时会出现分配的物理页面数增加，缺页率反而提高的异常现象。


对比LRU算法

LRU算法满足栈算法特点，但是FIFO不满足栈算法特点。

工作集模型

上图中的window Size指的是缺页时刻，而不是工作集大小。

抖动问题