操作系统第九章（操作系统第五章）

清华大学 陈渝老师 操作系统教程

起因

• 程序规模的增长速度远远大于存储器容量的增长速度
• 理想中的存储器
• 更大、更快、更便宜的非易失性存储器
• 实际中的存储器
• 在计算机系统中，尤其是在多道程序运行的环境下，可能会出现内存不够用的情况，怎么办?
• 如果是程序太大，超过了内存的容量，可以采用手动的覆盖（overlay)技术，只把需要的指令和数据保存在内存当中
• 如果是程序太多，超过了内存的容量，可以采用自动的交换（( swapping)技术，把暂时不能执行的程序送到外存中;
• 如果想要在有限容量的内存中，以更小的页粒度为单位装入更多更大的程序，可以采用自动的虚拟存储技术。

覆盖技术

• 目标
• 实在较小的可用内存中运行较大的程序
• 常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用
• 原理
• 把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个功能上相对独立的程序模块，那些不会同时执行的模块共享同一块内存区域，按时间先后来运行
• 必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存
• 可选部分（不常用功能）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要用到时才装入内存
• 不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖，即这些模块共用一个分区
• 缺点
• 由程序员来把一个大的程序划分为若干个小的功能模块，并确定各个模块之间的覆盖关系，费时费力，增加了编程的复杂度
• 覆盖技术从外存装入内存，实际上是以时间延长来换取空间节省

交换技术

• 目标
• 多道程序在内存中时，让正在运行的程序或需要运行的程序获得更多的内存资源
• 方法
• 可将暂时不能运行的程序送到外存，从而获取空闲内存空间
• 操作系统把一个进程的整个地址空间的内容保存到外存中（换出swap out），而将外存中的某个进程的地址空间读入到内存中（换入swap in）。换入换出内容的大小为整个程序的地址空间
• 技术实现的问题
• 交换时机的确定
• 何时需要发生交换
• 只有当内存空间不够或有不够的危险时换出
• 交换区的大小
• 必须足够大以存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝
• 必须能对这些内存影响进行直接存取
• 程序换入时的重定位
• 换出后再换入的内存位置一定要在原来的位置上吗
• 最好采用动态地址映射方法
• 覆盖与交换的比较
• 覆盖
• 发生在运行程序的内部
• 只能发生在那些相互之间没有调用关系的程序模块之间
• 程序员必须给出程序内的各个模块之间的逻辑覆盖结构
• 交换
• 发生在内存中程序与管理程序或操作系统之间
• 是以内存中的程序大小为单位来进行的
• 不需要程序员给出各个模块之间的逻辑覆盖关系

虚存技术

• 目标
• 遇到的问题
• 在内存不够的情形下，可以采用覆盖技术和交换技术，但
• 覆盖技术：需要程序员自己把整个程序划分为若干个小的功能模块，并确定各个模块之间的覆盖关系，增加了程序员的负担
• 交换技术：以进程作为交换的单位，需要把进程的整个地址空间都换进换出，增加了处理器的开销
• 解决方法
• 虚拟内存管理技术（虚存技术）
• 像覆盖技术那样，不是把程序的所有内容都放在内存中，因而能够运行比当前空间还要大的程序。但做得更好，由操作系统自动来完成，无需程序员的干涉
• 像交换技术那样，能够实现进程在内存与外存之间的交换，因而获得更多的空间空闲内存空间。但做得更好，只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换。
• 程序局部性原理
• 指程序在执行过程中的一个较短时期，所执行的指令地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域。
• 时间局部性
• 一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短时期内
• 空间局部性
• 当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和临近的几条数据都集中在一个较小区域内
• 基本概念
• 可以在页式或段式内存管理的基础上实现
• 在装入程序时，不必将其全部装入到内存，而只需要执行的部分页面或段装入到内存，就可让程序开始执行
• 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存（称为却页或缺段），则由处理器通知操作系统将相应的页面或段调入到内存，然后继续执行程序
• 另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的页面或段调出保存在外存上，从而腾出更多空闲空间存放将要装入的程序以及将要调入的页面
• 基本特征
• 大的用户空间
• 通过把物理内存与外存相结合，提供给用户的虚拟内存空间通常大于实际的物理内存，即实现了两者的分离。
• 如32位虚拟地址理论上可以访问4GB，而可能计算机上仅有256M的物理内存，但硬盘用量大于4GB
• 部分交换
• 与交换技术相比较，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的
• 不连续性
• 物理内存分配不连续，虚拟地址空间使用不连续
• 虚拟页式内存管理
• 大部分虚拟存储系统都采用虚拟页式存储管理技术，即在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能
• 基本思路
• 当一个用户程序要调入内存运行时，不是将该程序的所有页面都装入内存，而是只装入部分页面，就可启动程序运行
• 在运行过程中，如果发现要运行的程序或要访问的数据不在内存，则向系统发出缺页中断请求，系统在处理这个中断时，将外存中相应的页面调入内存，使得该程序能够继续运行
• 页表表项
• 驻留位
• 表示该页是在内存还是在外存。如果该位等于1，表示该页位于内存当中，即该页表项是有效的,可以使用：如果该位等于0，表示该页当前还在外存当中，如果访问该页表项,将导致缺页中断；
• 保护位
• 表示允许对该页做何种类型的访问，如只读、可读写、可执行等；
• 修改位
• 表明此页在内存中是否被修改过。当系统回收该物理页面时，根据此位来决定是否把它的内容写回外存；
• 访问位
• 如果该页面被访问过（包括读操作或写操作），则设置此位。用于页面置换算法。
• 缺页中断
• 缺页中断处理过程
• 1.如果在内存中有空闲的物理页面，则分配一物理页帧f，然后转第4步；否则转第2步；
• 2.采用某种页面置换算法，选择一个将被替换的物理员帧f，它所对应的逻辑页帧为q。如果该页在内存期间被修改过。则需把它写回外存；
• 3.到q所对应的页表项进行修改，把驻留位置为0；
• 4.将需要访问的页p装入到物理页面f当中；
• 5.修改p所对应的页表项的内容，把驻留位置为1，把物理页帧号置为f；
• 6.重新运行被中断的指令。
• 后备存储Backing Store
• 在何处保存未被映射的页
• 能够简单地识别在二级存储器中的页
• 交换空间（磁盘或者文件）：特殊格式，用于被映射的页面
• 概念
• 一个虚拟地址空间的页面可以被映射到一个文件（在耳机存储中）中的某个位置
• 代码段
• 映射到可执行二进制文件
• 动态加载的共享库程序段
• 映射到动态调用的库文件
• 其他段
• 可能被映射到交换文件
• 虚拟内存性能
• 为了便于理解分页的开销，使用有效存储器访问的时间effective memory access time（EAT）
• EAT = 访存时间 * 页表命中几率 page fault处理时间 * page fault几率
• eg
• - page fault几率：缺页几率 - dirty page几率：对页进行写操作几率

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