大二上软基os虚拟存储管理

1、1虚拟存储器管理秦臻 宽带光纤传输与通信系统技术教育部重点实验室Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission and Communication Networks制作：段景山 秦臻主讲：秦臻2操作系统内容概要操作系统概述和基本原理操作系统的几大基本的管理功能处理机管理存储器管理设备管理文件管理作业管理3虚拟存储的基本概念请求分页式存储管理页面置换算法第二篇 操作系统请求分段式存储管理第六章 虚拟存储器4虚拟存储方法的引入6.1虚拟存储管理的基本概念6.1.1虚拟存储方法的引入原有存储管理方法中存在的问题解决问题的动机问题产生的原因

2、解决方法的探索解决方案的可行性分析5虚拟存储的引入1）原有存储管理中存在的问题当作业很大，超过内存剩余时，无法装入装入的作业对内存利用率不高99%空间内的指令在短时间内都不会得到执行2）解决问题的动机解决装入作业受限提高内存利用率提高系统吞吐量短时间内执行的部分6虚拟存储的引入3）问题产生的原因作业装入的“一次性”作业装入后的“驻留性”4）解决方法的探索不需一次全部装入作业装入内存的程序可在不需要访问时暂时退出内存7虚拟存储的引入5）解决方案可行性程序执行的局部性规律（1）顺序执行规律（2）跳转的局部性程序的跳转和调用范围不大（3）数据访问的局部性局部性时间的局部性 在短时间内多次被访问空间的

3、局部性 在较短程序范围内多次访问8虚拟存储器的定义6.1.2虚拟存储器的定义虚拟存储指仅把作业的一部分装入内存便可运行的存储管理系统，通过作业各部分的动态调入和置换，用户所感觉的存储空间比实际空间大，称之为虚空间。内存程序分页磁盘对换区01230123将暂时不用的第0页置换出去部分装入后开始执行将暂时不用的第1页置换出去产生给用户感觉比实际空间大的虚拟空间01239虚拟存储的特征6.1.3虚存的特征离散性虚拟存储建立在离散内存管理基础上多次性程序页面会多次进/出内存对换性在置换页面时需要在外存建立对换区虚拟性程序部分装入就可以执行给用户感觉比实际空间大的虚拟空间10虚空间大小虚空间大小虚空间的

4、逻辑大小 虚空间的实际大小 例：32位操作系统的可寻址范围是232=4GByte，Windows98系列系统。例：在window系统盘根目录下，有兑换文件外存对换区。如XP系统的pagefile.sys文件可寻址范围内存外存对换区1112虚拟存储例虚拟存储的外存对换区13请求式分页存储管理6.2请求分页式存储管理以分页存储管理为基础解决地址空间的映射问题地址的转换新的问题：“不完全调入”需要的页面是否已装入内存？当需要访问的页面不在内存中如何处理？14请求式分页方式的实现6.2.1请求分页方式的实现1）对页表进行扩充让系统了解页面装入状态状态位：为0 不在内存中为1 在内存中页号块号存取控制状

5、态位引用位修改位外存地址页面是否被访问过页面是否被修改过页面如果不在内存中，记录页面在兑换区的位置15请求式分页方式的缺页中断2）缺页中断（系统发现要访问的页面不在内存中时）基本思想当发现将要用到的页面不在主存中时产生缺页中断，由缺页中断来完成页面的调入。调入过程（见后）16请求式分页的地址变换机构3）地址变换机构及过程请求式分页系统按需要请求调入页面相对地址页号页内地址页表始址页表大小页表寄存器（JT内容）+块号块内地址物理地址寄存器有效地址寄存器越界？页号块号页表存在位缺页中断215030601在分页式地址变换结构上增加扩展的页表、缺页中断处理17请求分页方式的特点请求分页式特点离散分配：

6、效率高、复杂虚拟存储管理：部分装入、请求调入、页面置换缺页中断将耗费系统时间，缺页率是影响系统性能的主要因素缺页率：需要访问的页面不在内存中次数在总页面访问次数的比率缺页率与程序实际使用的内存块数量相关18请求式分页系统的策略6.2.2、请求分页系统的策略分配策略不必一次装入作业的所有页面，究竟装入时分配多少个内存块？页面调入策略不是所有的页面都在内存中，哪些页面应该在内存中？剩下的页面何时调入？页面置换策略当没有空闲内存块，又需要调入新的页面时，要将已装入内存的页面置换出去，如何选取页面置换？19请求式分页的页面分配策略6.2.3分配策略给用户程序分配多少内存块够用？用户能要求增加吗？不能：

7、固定分配策略能：可变分配策略程序内存20请求式分页的页面调入策略6.2.4页面调入策略什么时候调入程序的页面？调入程序的哪些页面？预测调入、群调入在调入一个需要页面的同时，将其相邻的几个页面的一并调入按请求调入程序内存21请求式分页的页面置换6.3、页面置换算法页面置换：当需要访问的页面不在内存，有没有多余的空白内存块，这时需要将以装入页面中的一页置换到外存对换区，腾出的内存块可以装入需要的页面页面置换算法页面置换需要在多个已调入内存中的页面中选择。22页面置换带来的抖动问题页面置换带来的问题抖动问题页面内存23页面置换带来的抖动问题6.3.1页面置换带来的问题抖动问题系统频繁地调进和调出页面

8、，特别是被换出的页面在短时间内又要被换入，系统开销显著增加，以至于系统吞吐量大大下降置换算法目标减少抖动，降低同一页面的重复置换系统吞吐量t抖动24请求式分页的页面置换算法6.3.2页面置换算法（1）最佳置换策略被置换的内存页面应是以后永久不再需要或最久不再访问的页面理想算法（2）最简单的算法FIFO按照页面进入内存的先后顺序置换（3）最近最久不用（LRU）之前最近一段时间最久没有使用过的页面将被置换（4）最近最少使用（LFU）之前最近一段时间最少使用过的页面将被置换25请求式分页系统的性能分析6.4请求分页系统的性能分析缺页率P与有效访问时间设一次不发生缺页的页面访问时间MA0.1微秒设一次缺页的页面访问时间缺页中断服务时间缺页读入时间Rp25000微秒所以一次有效访问时间（1P）MAPRp0.124999P设有效访问时间MA若期望MA10%P410 -7则即希望请求分页系统比分页系统只多10的开销时从磁盘中读入26请求式分段6.5请求式分段存储管理方式（自学）对段表的扩充2、缺段中断当发现将要用到的程序段不在主存中时产生缺段中断