操作系统基础:虚拟内存【上】

简介: 操作系统基础:虚拟内存【上】



🐹1 虚拟内存的基本概念

🦓1.1 总览

🦓1.2 传统存储管理方式的缺点

🦓1.3 局部性原理

🦓1.4 虚拟内存

🦝1.4.1 定义

🦝1.4.2 特征

🦓1.5 如何实现虚拟内存

🦝1.5.1 需要解决的两个问题

(1)

此时操作系统需要提供请求调页(请求调段)功能

(2)

此时操作系统需要提供页面置换(段置换功能)

🦝1.5.2 常采用的技术

🦓1.6 总结

🐹2 请求分页管理方法

🦌2.1 总览

🦌2.2 页表机制

🦝2.2.1 需考虑的问题

为了实现虚拟内存的请求调页和页面置换功能,我们需要考虑以下问题

🦝2.2.2 页表的基本结构

访问字段:优先将访问次数较少的内存块调出内存

修改位:在将内存块调出内存时,对于已经修改过的内存块,需要将修改内容重新写入外存。

其他字段较为简单不再赘述

🦌2.3 缺页中断机制

🦝2.3.1 什么是缺页中断机制

🦝2.3.2 过程

🦌2.4 地址变换机制

🦝2.4.1 过程

与普通页表的地址变化过程类似。注意此处是引入了快表的

当发生缺页中断时,需要进行的护处理如下:

🦝2.4.2 补充细节

与上图中标注的序号匹配。

🦌2.5 总结

🐹3 页面置换算法

🐯3.1 总览

🐯3.2 最佳置换算法(OPT)

🐶3.2.1 算法思想

🐶3.2.2 例子

首先,页面会逐渐先将内存填满,如图所示

接着,进程需要2号页面,但是内存中没有,于是发生缺页中断。剩余的页面号引用串为0304230321201701,而内存中已经存在的页面为701,于是操作系统依次对页面进行查找,确定701中最后一个在页面号引用串中出现的数字,容易得到为7,于是将7号页面换出,将2号页面换入。

🐶3.2.3 缺点

(1)是一种理想算法

(2)注意

🐯3.3 先进先出置换算法(FIFO)

🐶3.3.1 算法思想

🐶3.3.2 例子

首先,页面会逐渐将内存填满,如图

接着,系统需要访问0号页面,但内存中没有,于是发生缺页异常。此时的页面队列为3 <- 2 <- 1,3是最先进去的,所以系统将3替换为0。

🐶3.3.3 缺点

🐯3.4 最近最久未使用置换算法(LRU)

🐶3.4.1 算法思想

🐶3.4.2 例子

假如系统的内存块数量为4,且会访问的页面串为:

1,8,1,7,8,2,3

首先,页面会逐渐将内存块填满,如图:

接着,系统访问7号页面,发现内存中没有,于是发生缺页异常,此时我们可以发现现有的页面1872中,它们的自上次被访问以来所经历的时间依次为3、2、1、0。所以系统将1号页面换出,换为3号页面。

我们在做题时,也可以逆序查找。比如此处内存中的页面为1872,而它们的逆序页面号为2、8、7、1,所以1是最久没有使用的,可以将其替换。

🐶3.4.3 缺点

它的效率最接近最佳替换算法,但是:

🐯3.5 时钟置换算法

🐶3.5.1 算法思想

访问位示意图:

🐶3.5.2 例子

因为进程有5个内存块,所以页面的循环队列的长度应该是5。初始时13425会依次填满内存块(这五个页面都被访问,于是它们的访问位都置为1),当访问到6号页面时,操作系统发现缺页,于是产生缺页异常,此时的循环队列为(1->3->4->2->5->1)。操作系统首先从队列的开头(1)寻找最近没有被访问的页面,直至查找到5,所有的页面都被访问过,于是按照时钟置换算法将所有页面的访问位都置为0,并再次开始寻找,此时第一个为0的页面是1,于是操作系统将1号页面换出,换入6号页面。

🐯3.6 改进型的时钟置换算法

🐶3.6.1 算法思想

🐶3.6.2 算法实现方法

🐶3.6.3 例子

(1)只需一轮扫描:

(2)需要两轮扫描:

(3)需要三轮扫描

(4)需要四轮扫描

🐶3.6.4 对算法的进一步理解

🐯3.7 总结

🕮 4 总结

操作系统,如默默守护的守夜者,无声地管理硬件与软件的交流,为计算机创造和谐秩序。

它是无形的引导者,让复杂的任务变得井然有序,为用户提供无忧体验。

操作系统的巧妙设计,让计算机变得更加智能高效,让人与科技之间的交流更加顺畅。

在每一次启动中,它如信任的伙伴,带领我们进入数字世界的奇妙旅程。

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