【第六章】虛擬存儲器

| 本章概念

1.虛擬存儲器概述

• 前面基礎(chǔ)存儲器的缺點
  • 有一個共同特點：作業(yè)全部裝入內(nèi)存后方能運行
  • 常規(guī)存儲器管理方式的特征：一次性：作業(yè)被一次性全部裝入內(nèi)存；駐留性：作業(yè)一直駐留在內(nèi)存
  • 一次性和駐留性使許多在程序運行中不用或暫不用的程序（數(shù)據(jù)）占據(jù)了 大量的內(nèi)存空間，使得一些需要運行的作業(yè)無法裝入運行。
• 如何解決【大作業(yè)裝不下、少量作業(yè)得以運行】的問題？解決辦法：擴(kuò)充內(nèi)存、邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量（虛擬存儲器）
• 虛擬存儲器的定義
  • 應(yīng)用程序在運行之前，沒有必要全部裝入內(nèi)存，僅須將 那些當(dāng)前要運行的部分頁面或段先裝入內(nèi)存便可運行
  • 具有請求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲器系統(tǒng)。
  • 其運行速度接近于內(nèi)存速度，而成本接近于外存
• 虛擬存儲器的特征
  • 多次性：作業(yè)中的程序和數(shù)據(jù)允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存允許
  • 對換性：作業(yè)運行時無須常駐內(nèi)存
  • 虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存容量，使用戶看到的內(nèi)存容量遠(yuǎn)大于實 際內(nèi)存容量
• 虛擬存儲器的實現(xiàn)方法
  • 請求分頁系統(tǒng)
  • 請求分段系統(tǒng)
  • 段頁式虛擬存儲器

2.請求分頁存儲管理方式基本概念

• 最小物理塊數(shù)的確定：保證進(jìn)程正常運行所需的最小物理塊數(shù)。取決于指令的格式、功能和尋址方式。
  • 平均分配算法；
  • 按比例分配算法； 各進(jìn)程頁面總和 S = ΣSi 每個進(jìn)程所能分到的物理塊數(shù) bi ＝ Si / S * m
  • 考慮優(yōu)先權(quán)的分配算法；
• 頁面調(diào)入策略：
  • 何時調(diào)入頁面？預(yù)調(diào)頁策略、請求調(diào)頁策略
  • 從何處調(diào)入頁面？
  • 如何調(diào)入頁面？查找所需頁在磁盤上的位置、查找一內(nèi)存空閑塊、將所需頁讀入新空閑塊然后更新頁表、重啟用戶進(jìn)程
• 缺頁率的計算：
  • S：訪問頁面成功次數(shù)
  • F：訪問頁面失敗次數(shù)
  • A ： 總訪問次數(shù) = S+F
  • 缺頁率 = F/A
• 缺頁中斷處理時間：
  • β：被置換的頁面被修改的概率
  • ta：被置換頁面被 修改的缺頁中斷處理時間
  • tb：被置換頁面沒有被修改的缺頁中斷時間
  • 缺頁中斷處理的時間 = β * ta + （1-β）*tb

3.頁面置換算法的相關(guān)概念

• 頁面置換：找到內(nèi)存中沒有使用的一些頁，換出
• 性能的關(guān)鍵點 ：找出一個導(dǎo)致最小缺頁數(shù)的算法
• 同一個頁可能會被裝入內(nèi)存多次（可能造成“抖動”）
• 頁面置換完善了邏輯內(nèi)存和物理內(nèi)存的劃分——在一個較小的物理 內(nèi)存基礎(chǔ)之上可以提供一個大的虛擬內(nèi)存
• 常見的頁面置換算法：最佳置換算法 OPT 、先進(jìn)先出置換算法 FIFO 、最近最久未使用算法 LRU 、最少使用算法 LFU、Clock置換算法、頁面緩沖算法
• 目的：盡可能小的缺頁率

4.請求分段存儲管理方式基本概念

• 在分頁基礎(chǔ)上建立的請求分頁式虛擬存儲器系統(tǒng)，是以頁面為單位進(jìn)行換出 / 換入的。而在分段基礎(chǔ)上所建立的請求分段式虛擬存儲器系統(tǒng)，則是以分段為單位進(jìn)行換入 / 換出的
• 請求分段中的硬件支持
  • 請求段表機(jī)制
  • 缺段中斷機(jī)構(gòu)：在指令執(zhí)行期間產(chǎn)生和處理中斷信號。一條指令在執(zhí)行期間，可能產(chǎn) 生多次缺段中斷。由于段不是定長的，因此中斷處理比缺頁中斷復(fù)雜
  • 地址變換機(jī)構(gòu)：若段不在內(nèi)存中，則必須先將 所缺的段調(diào)入內(nèi)存，并修改段表，然后利用段表進(jìn)行地址變換。
• 分段保護(hù)：
  • 越界檢查：比較段號與段表長度；段內(nèi)地址與段表長度
  • 存取控制檢查：以段為基本單位進(jìn)行
  • 環(huán)保護(hù)機(jī)構(gòu)

| 本章算法

1.分頁存儲管理的有關(guān)計算公式

最小物理塊的數(shù)量計算公式

按比例分配算法； 各進(jìn)程頁面總和 S = ΣSi 每個進(jìn)程所能分到的物理塊數(shù) bi ＝ Si / S * m

缺頁率的計算

• S：訪問頁面成功次數(shù)
• F：訪問頁面失敗次數(shù)
• A ： 總訪問次數(shù) = S+F
• 缺頁率 = F/A

缺頁中斷處理時間的計算

• β：被置換的頁面被修改的概率
• ta：被置換頁面被 修改的缺頁中斷處理時間
• tb：被置換頁面沒有被修改的缺頁中斷時間
• 缺頁中斷處理的時間 = β * ta + （1-β）*tb

2.請求分頁系統(tǒng)訪問內(nèi)存的有效時間EAT

λ：為查找快表所需要的時間

t：為訪問一次內(nèi)存所需要的時間

訪問頁在內(nèi)存，且其對應(yīng)頁表項在快表中 EAT= λ + t

訪問頁在內(nèi)存，但其對應(yīng)頁表項不在快表中 EAT= λ + t + λ + t = 2(λ + t)

t：為訪問一次內(nèi)存所需要的時間

φ：缺頁中斷處理時間

f：缺頁率

訪問頁不在內(nèi)存中：需進(jìn)行缺頁中斷處理，有效時間可分為查找快表的時間、查找頁表的時間、 處理缺頁的時間、更新快表的時間和訪問實際物理地址的時間

EAT = t + f ×(φ + t) + (1- f) × t

區(qū)別于【第五章：存儲器管理】的【引入快表后的有效訪問時間】計算公式

這個是請求調(diào)頁系統(tǒng)，第五章那個是分頁存儲系統(tǒng)

3.已知邏輯地址、頁大小、頁表；求物理地址

①把邏輯地址轉(zhuǎn)為二進(jìn)制（如101(8) → 001 000 001）

②根據(jù)頁大小計算出頁的地址結(jié)構(gòu)（如一頁32B，2^5=32 因此低5位為頁內(nèi)地址，其余頁為頁號）

③由①的二進(jìn)制，結(jié)合②的地址結(jié)構(gòu)，可以得出【頁號、頁內(nèi)地址】（如001 000 001，低5位為頁內(nèi)地址，則該二進(jìn)制表示第2頁，頁內(nèi)第1位）

④查表，若查得到則OK；若查不到則表示該邏輯地址不能轉(zhuǎn)換

4.頁面置換算法

最佳頁面置換算法 OPT

• 被置換的頁將是之后最長時間不被使用的頁。是一種理想算法，永遠(yuǎn)不可能實現(xiàn)

先進(jìn)先出置換算法 FIFO

• 總是淘汰最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面

最近最久未使用算法 LRU

• 選擇最近最久未使用的頁面予以淘汰
• 硬件支持：被訪問的頁面對應(yīng)寄存器的Rn-1位置為1，定時右移
• 具有最小數(shù)值的寄存器所對應(yīng)的頁面為淘汰頁

最少使用算法 LFU（了解）

• 選擇在最近時期使用最少的頁面作為淘汰頁。（如果一個數(shù)據(jù)在最近一段時間很少被訪問到，那么可以認(rèn)為在將來它被訪問的可能性也很小。因此，當(dāng)空間滿時，最小頻率訪問的數(shù)據(jù)最先被淘汰；當(dāng)存在兩個或者更多個鍵具有相同的使用頻次時，應(yīng)該淘汰最久未使用的數(shù)據(jù)。（即此時為 LRU）
• 為內(nèi)存中的每個頁面設(shè)置 一個移位寄存器，用來記 錄該頁面的被訪問頻率

Clock置換算法（了解）

• LRU的近似算法，又稱最近未用(NRU)或二次機(jī)會頁面置換算法

• 每個頁都與一個訪問位相關(guān)聯(lián)，初始值位0，當(dāng)頁被訪問時置訪問位為1，置換時選擇訪問位為0的頁 ；若為1，重新置為0
  
  頁面緩沖算法（了解）

• 設(shè)置兩個鏈表：

  • ①空閑頁面鏈表：保存空閑物理塊
  • ②修改頁面鏈表：保存已修改且需要被換出的頁面，等被換出的頁面數(shù)目達(dá)到一定值時，再一起換出外存

5.請求分段存儲管理方式 地址變換

作業(yè)最多可擁有的段數(shù) = 2 ^ 虛擬地址中【段號】的位數(shù)

作業(yè)最多可擁有的長度字節(jié) = 2 ^ 虛擬地址中【段內(nèi)相對地址】的位數(shù)

已知段號和段內(nèi)地址，如何進(jìn)行地址變換？

① 找到段號對應(yīng)的段長 L 和主存起始地址 S

② 若段表中段號所對應(yīng)的段長 ＜ 所給的段內(nèi)地址 則說明產(chǎn)生了越界中斷，無法轉(zhuǎn)換

? 若段表中段號對應(yīng)的段長 ≥ 所給的段內(nèi)地址， 則邏輯地址對應(yīng)的主存地址為【主存起始地址 + 段內(nèi)地址】

| 課后簡答題

1．常規(guī)存儲器管理方式具有哪兩大特征?它們對系統(tǒng)性能有何影響?

一次性：進(jìn)程必須全部裝入內(nèi)存。一次性對內(nèi)存空間的浪費非落大

駐留性：在程序運行過程中，進(jìn)程全部駐留在內(nèi)存中。駐留性使內(nèi)存中暫時不用的程序或數(shù)據(jù)無法被釋放。

2.什么是虛擬存儲器?如何實現(xiàn)頁式虛擬存儲器?

虛擬存儲器是具有請求調(diào)入功能和置換功能,能從邏輯上對內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充的一種存儲系統(tǒng)

為實現(xiàn)虛擬存儲器，首先需要擴(kuò)充頁表，增加狀態(tài)位以指出所需頁是否在內(nèi)存中,

另外，還要使用兩種關(guān)鍵技術(shù)。

①請求調(diào)頁技術(shù)該項技術(shù)是指及時將進(jìn)程所要訪問的不在內(nèi)存中的頁調(diào)人內(nèi)存。

②置換頁技術(shù)該項技術(shù)

3.“整體對換從邏輯上也擴(kuò)充了內(nèi)存，因此也實現(xiàn)了虛擬存儲器的功能”這種說法是否正確，請說明理由。

這種說法是錯誤的。

整體對換將內(nèi)存中暫時不用的某個程序及其數(shù)據(jù)換出至外存，騰出足夠的內(nèi)存空間以裝入在外存中具備運行條件的進(jìn)程所對應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)。

虛擬存儲器是指僅把作業(yè)的一部分裝入內(nèi)存便可運行作業(yè)的存儲器系統(tǒng)，亦指具有請求調(diào)人功能和置換功能、能從邏輯上對內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)充的存儲器系統(tǒng)，它的實現(xiàn)必須建立在離散分配的基礎(chǔ)上。雖然整體對換和虛擬存儲器均能從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存空間，但整體對換不具備離散性。實際上，在具有整體對換功能的系統(tǒng)中，進(jìn)程的大小仍將受到實際內(nèi)存容量的限制。

4．在請求分頁系統(tǒng)中，為什么說一條指令執(zhí)行期間可能產(chǎn)生多次缺頁中斷?

在請求調(diào)頁時，只要作業(yè)的部分頁在內(nèi)存中，該作業(yè)就能執(zhí)行;

而在執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)所要訪問的指令或數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中時、系統(tǒng)會產(chǎn)生缺頁中斷，將所需的頁面調(diào)入內(nèi)存。

在請求調(diào)頁系統(tǒng)中，—條指令（如copy A to B)可能跨了兩個頁，而其中要訪問的操作數(shù)可能與指令不在同一個頁上,且操作數(shù)本身也可能跨了兩個頁。當(dāng)要執(zhí)行這類指令而相應(yīng)的頁又都不在內(nèi)存中時，就將產(chǎn)生多次缺頁中斷。

5．試比較缺頁中斷與一般的中斷，它們之間有何明顯區(qū)別?

缺頁中斷與一般中斷的區(qū)別主要有:

①一般中斷只需要保護(hù)現(xiàn)場然后即可直接跳到須及時處理的地方;

②缺頁中斷除了需要保護(hù)現(xiàn)場外，還需要判斷內(nèi)存中是否有足夠的空間來存儲所需的頁或段，然后再把所需的頁或段調(diào)進(jìn)來使用。

6.試說明在請求分頁系統(tǒng)中頁面的調(diào)入過程。

每當(dāng)程序所要訪問的頁面未在內(nèi)存時（存在位為“0”）.便向CPU發(fā)出缺頁中斷，中斷處理程序保存CPU現(xiàn)場信息，分析中斷原因后，轉(zhuǎn)人缺頁中斷處理程序。該程序通過查找頁表得到該頁在外存的物理地址，如果此時內(nèi)存能谷納新貝，則后功伍，將歷歐貝面調(diào)人內(nèi)存，然后修改頁表。如果內(nèi)存已滿，則須按照某種置換算法進(jìn)行頁面置換;如果換出頁面被修改過（修改位為“1”)，則必須將它寫回磁盤，再把缺頁調(diào)入內(nèi)存，將頁表中調(diào)入頁的存在位改為“1”，并將此頁表項寫入快表中。利用修改后的頁表，形成要訪問數(shù)據(jù)的物理地址，再去訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)。整個頁面調(diào)人過程對用戶是透明的。

7.（考研真題）簡述在具有快表的請求分頁系統(tǒng)中，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的完整過程。

在具有快表的請求分頁系統(tǒng)中、將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的完整過程為

①檢索快表，試圖從中找出所要訪問的頁

②如果找到，那么修改頁表項中的訪問位,供置換算法選擇淘汰頁時參考，將寫指令的修改位置1，然啟利用頁表項中給出的物理塊號和頁內(nèi)地址形成物理地址，地址轉(zhuǎn)換結(jié)束:

③如果沒找到，那么應(yīng)到內(nèi)存中查找貝表，再根據(jù)查找到的貝表項中的狀態(tài)位來判斷該頁是否已調(diào)。若該頁已調(diào)入內(nèi)存、則將該頁的頁表項寫入快表。
當(dāng)快表已滿時，先調(diào)出按某種算法所確定的頁的頁表項，再寫人該頁的頁表項。若該頁未調(diào)入內(nèi)存，則產(chǎn)生缺頁中斷，請求OS從外存中將該頁調(diào)人內(nèi)存，再轉(zhuǎn)到步驟②進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。

8．何謂固定分配局部置換和可變分配全局置換的內(nèi)存分配策略?
(1）固定分配局部置換:固定分配是指，為每個進(jìn)程分配一組固定數(shù)目的物理塊，在進(jìn)程運行期間不再改變;局部置換是指，如果進(jìn)程在運行中發(fā)現(xiàn)缺頁，則只能從分配給該進(jìn)程的n個頁面中選出1頁換出,然后再調(diào)人1頁。
(2)可變分配全局置換;可變分配是指，先為每個進(jìn)程分配一定數(shù)目的物理塊，在進(jìn)程運行期間，可根據(jù)情況做適當(dāng)?shù)母淖?全局置換是指，如果進(jìn)程在運行中發(fā)現(xiàn)缺頁，則將Os所保留的空閑物理塊或者所有進(jìn)程的全部物理塊選擇1塊換出然后再將缺頁調(diào)入。

10.為了實現(xiàn)請求分段存儲管理，應(yīng)在系統(tǒng)中增加配置哪些硬件機(jī)構(gòu)?

為了實現(xiàn)請求分段存儲管理，應(yīng)在系統(tǒng)中配置多種硬件機(jī)構(gòu)以支持快速完成請求分段功能。

所需的硬件支持有段表機(jī)制、缺段中斷機(jī)構(gòu)以及地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-498210.html

到了這里，關(guān)于【第六章 | 虛擬存儲器】《操作系統(tǒng) 慕課版》課后答案 + 復(fù)習(xí)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！