六、交换技术

6.1 内存不足时如何管理

即如何在一个较小的物理内存空间中运行一个会占用较大地址空间的进程？

6.2 内存“扩充”技术

• 内存紧缩技术（例如：可变分区。即有时候可以使用内存紧缩技术来满足进程所需内存），但是这种技术一般不能解决问题
• 覆盖技术（overlaying）
• 交换技术（swapping）
• 虚拟存储技术（virtual memory）

6.3 覆盖技术

• 解决问题：程序大小超过物理内存总和
• 程序执行过程中，程序的不同部分在内存中相互替代。

• 按照其自身的逻辑结构，将那些不会同时执行的程序段共享同一块内存区域
• 要求程序各模块之间有明确的调用结构

• 程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖

这种技术主要用于早期的操作系统，现在使用不多。

6.4 交换技术

• 设计思想
  内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时移动到外存，把外存中某些进程交换进内存，占据前者所占用的区域（进程在内存与磁盘之间的动态调用）。
• 讨论：实现时遇到的问题
  进程的哪些内容要交换到磁盘？会遇到什么困难？
  在磁盘的什么位置保存被换出的进程？
  交换时机？
  如何选择被换出的进程？
  如何处理进程空间增长？
• 哪些内容要交换到磁盘？会遇到什么困难？

1、运行时创建或修改的内容：栈和堆

2、交换区：一般系统会指定一块特殊的磁盘区域作为交换空间，包含连续的磁道，操作系统可以使用底层的磁盘读写操作对其高效访问。

3、何时需要发生交换？只要不用就换出；内存空间不够或有不够的危险时换出，一般与调度器结合使用

4、考虑进程的各种属性；不应换出处于等待I/O状态的进程

• 进程空间增长的困难及解决

**说明：**这里给出了两种解决方案，一种是左边的为栈预留一部分空间；一种是右边的让数据区和栈去同向增长，即在一个预留区中增长。

七、虚拟存储技术

• 所谓虚拟存储技术是指：当进程运行时，先将其一部分装入内存，另一部分暂留在磁盘，当要执行的指令或访问的数据不在内存时，由操作系统自动完成将它们从磁盘调入内存的工作
• 虚拟地址空间即为分配给进程的虚拟内存
• 虚拟地址是在虚拟内存中指令或数据的位置，该位置可以被访问，仿佛它是内存的一部分
• 特点(重点)

• 离散性
• 多次性
• 对换性(交换性)
• 虚拟性

7.1 存储器的层次结构

• 综合读写速度、存储容量、价格等因素：

7.2 虚拟内存与存储体系

• 把内存与磁盘有机地结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存”，即虚拟内存
• 虚存是对内存的抽象，构建在存储体系之上，由操作系统协调各存储器的使用
• 虚存提供了一个比物理内存空间大得多的地址空间,扩大逻辑内存容量

7.3地址保护

• 确保每个进程有独立的地址空间
• 确保进程访问合法的地址范围，即我们需要访问地址越界
• 确保进程的操作是合法的

7.4 虚拟页式(请求页式)(重点)

我们将虚拟存储技术和页式存储管理方案结合起来得到了虚拟页式存储管理系统。具体有两种方式，一是请求调页，二是预先调页。以cpu时间和磁盘换取昂贵内存空间，这是操作系统中的资源转换技术。

基本思想

• 进程开始运行之前，不是装入全部页面，而是装入一个或零个页面
• 之后，根据进程运行的需要，动态装入其他页面
• 当内存空间已满，而又需要装入新的页面时，则根据某种算法置换内存中的某个页面，以便装入新的页面

八、页表及页表项的设计

2.1 页表项设计

• 页表由页表项组成
• 页框号、有效位、访问位、修改位、保护位

页框号（内存块号、物理页面号、页帧号）：通过页框号给出具体对应的物理页面

有效位（驻留位、中断位）：表示该页是在内存还是在磁盘

访问位：引用位。当要使用某个页面时，需要访问位作出相应的记录，表示此页面被访问过

修改位：此页在内存中是否被修改过

保护位：读/可读写

通常，页表项是硬件设计的。

2.2 页表

• 32位虚拟地址空间的页表规模？

页面大小为4k，页表项大小为4字节，则一个进程地址空间有2^20页。这里首先是虚拟地址空间可以达到2^32字节，这里注意：在二级页表中才可以表示2^32的地址空间，除以页面大小可以得到有多少个页面。而一个页表项可以表示1k的页面，于是页表项就要占用1024页（页表页，就是页表项占用的空间）。

• **64**位虚拟地址空间

页面大小为4k，页表项大小为8字节，则页表规模为32000TB。这里没说清楚，到底是几级页表中的结果？

• 页表页在内存中若不连续存放，则需要引用页表的地址索引表，即页目录。即一个多级页表结构。

2.3 二级页表结构及地址映射

**说明：**这里还是32位的虚拟地址空间。每个进程有一个页目录，根据页目录得到页表地址，然后从页表中的页表项的页框号找到真正的物理内存地址。32位的虚拟地址分为页目录偏移、页表偏移和页内偏移。页目录地址保存在一个寄存器中，根据此地址找到页目录起始地址，然后根据月页目录偏移找到对应的页表地址，根据页表偏移找到页表项，从页表项中取得页框号，然后结合页内偏移找到对应的物理内存。对于二级页表，在32位系统中可以表示4G的虚拟地址空间。如果需要超过4G的虚拟地址空间，则二级页表满足不了。

2.4 I386页目录和页表项

**说明：**总共有32位地址。

2.5 反转（倒排）页表

• 地址转换
  从虚拟地址空间出发：虚拟地址–>查页表–>得到页框号–>形成物理地址，其中每个进程一张表，这样页表会占用很大的空间。注意：反转页表和实际物理地址大小是固定比例的，与进程个数无关。
• 解决思路

*   从物理地址空间出发，系统建立一张页表

• 页表项记录进程的某个虚拟地址（虚页号）与页框号的映射关系。

• **说明：**系统建立一张页表可以节省很大的空间，这被很多64位系统采用，但是每次进行运行都需要查整张表，这样会耗费很大的资源，于是我们采用了一个哈希表，这样查找更快。
  

2.6 地址转换过程及TLB

**说明：**上图是虚拟地址通过页表和物理地址映射的关系。这个过程是有内存管理单元完成的。

2.6.1 快表（TLB）的引入

• 问题
  页表：两次或两次以上的内存访问。如果是二级页表就要访问两次，四级页表访问四次.cpu的指令处理速度与内存指令的访问速度差异较大，cpu的速度得不到充分利用。
  那如何加快地址映射速度，以改善系统性能？这里我们利用程序访问的局部性原理：引入快表（TLB）。

2.6.2 快表

• TLB（Translation Look-aside Buffers）
  在cpu中引入的高速缓存，可以匹配cpu的处理速度和内存的访问速度。是一种随机存取型存储器，除连线寻址机制外，还有接线逻辑，能按特定的匹配标志在一个存储周期内对所有的字同时进行比较。
• 快表一般称为相连存储器：按内容并行查找
• 保证正在运行进程的页表的子集（部分页表项）

2.6.3 加入TLB后地址转换过程

**说明：**首先根据虚拟地址去查TLB，如果能找到页框号，则直接和偏移结合找到对应的物理内存；如果TLB中没有页框号，则需要去查页表，之后在找到对应的物理内存；在页表中如果对应的页表项无效，则会出现page fault的异常，然后由系统处理之后再进行同样的操作。

2.7 页错误（page fault）

• 又称页面错误、页故障、页面失效
  
• 地址转换过程中硬件产生的异常
  
• 具体原因

1、所访问的虚拟页面没有调入物理内存，即缺页异常

2、页面访问违反权限（读/写、用户/内核），比如用户访问内核空间。

3、错误的访问地址，比如

图中标注的位置都是有内容的，如果访问地址指向没有标注（没有内容）的位置，则就是错误的访问地址。

2.8 缺页异常处理

• 是一种页错误
  
• 在地址映射过程中，硬件检查页表时发现所要访问的页面不在内存，则产生异常–缺页异常
  
• 操作系统执行缺页异常处理程序：获得磁盘地址，启动磁盘，将该页调入内存

• 如果内存中有空闲页框，则分配一个页框，将调入页装入，并修改页表中相应页表项的有效位及相应的页框号
• 若内存中没有空闲页框，则要置换内存中某一页框；若该页框内容被修改过，则要将其写回磁盘。

三、虚拟页式存储中软件相关策略

3.1 驻留集

• 所谓驻留集，是指在某段时间间隔内，进程要访问的页面集合
  
• 驻留集大小：给每个进程分配多少页框？
  
• 固定分配策略
  进程创建时确定。可以根据进程类型（交互、批处理、应用类）或者基于程序员或系统管理员的需要来确定
  
• 可变分配策略
  根据缺页率评估局部性表现
  缺页率高–>增加页框数
  缺页率低–>减少页框数
  系统开销
  

3.2 置换问题

• 置换范围

计划置换页面的集合是局限在产生缺页中断的进程，还是所有进程的页框？

置换策略

• 在计划置换的页框集合中，选择换出哪一个页框？其目标是置换最近最不可能访问的页。
• 根据局部性原理，最近的访问历史和最近将要访问的模式间存在线惯性，因此，大多数策略都基于过去的行为来预测将来的行为。**注意：**置换策略设计得越精致、越复杂，实现的软硬件开销就越大。当然有些被锁定的页框是不能被置换的。

3.3 页框锁定

为什么要锁定页面？

• 采用虚拟存储技术后，相关的开销使得进程的运行时间变得不确定
• 给每一页框增加一个锁定位
• 通过设置相应的锁定位不让操作系统将进程使用的页面换出内存，避免产生由交换过程带来的不确定的延迟
• 例如：操作系统核心代码、关键数据结构、I/O缓冲区。特别是正在I/O的内存页面。Windows中的VirtualLock和VirtualUnLock函数。

3.4 清除策略

• 清除：从进程的驻留集中收回页框
  
• 虚拟页式系统工作的最佳状态：发生缺页异常时，系统中有大量的空闲页框。
  
• 结论：在系统中保存一定数目的空闲页框供给比使用所有内存并在需要时搜索一个页框有更好的性能。所以一般清除的策略如下：
  

*   设计一个分页守护进程，多数时间处于睡眠状态，可定期唤醒以检查内存的装填

• 如果空闲页框过少，分页守护进程通过预定的页面置换算法选择页面换出内存
• 如果页面装入内存后被修改过，则将它们写回磁盘分页守护进程可保证所有的空闲页框是“干净”的。
• 当进程需要使用一个已置换出的页框时，如果该页框还没有被新的内容覆盖，将它从空闲页框集合中移出即可恢复该页面。就是说当进程还需要使用某个页框，同时这个页框虽然被移出了，但是内容还没有被覆盖，则我们只需要将其从空闲页框集合中移出即可恢复页面。于是可以利用此技术解决已经回收的页框再利用的问题。注意：所有的讨论都是在进程没有结束的情况下进行的。如果进程结束了，则所有的页框都会还给系统。这种技术叫页缓冲技术：

*   不丢弃置换出的页，将它们放入两个表之一：如果未被修改，则放到空闲页链表中，如果修改了，则放到修改页链表中。

• 被修改的页定期写回磁盘（不是一次只写一个，大大减少I/O操作的数量，从而减少了磁盘访问的时间）
• 被置换的页仍然保留在内存中，一旦进程又要访问该页，可以迅速将它加入该进程的驻留集合（代价很小）

3.5 页面置换算法(页面淘汰算法)

最佳算法–>先进先出–>第二次机会–>时钟算法–>最近未使用–>最近最少使用–>最不经常使用–>老化算法–>工作集–>工作集时钟

3.5.1 最佳置换算法（OPT）

• 设计思想
  置换以后不再需要的或最远的将来才会用到的页面
• 实现
  基于进程的走向来实现，更多的是作为一种标准来衡量其他算法的性能。