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虚拟存储引言 各种存储器管理方式,都要求将一个作业一次性全部装入内存中才能运行,一旦装入内存,一直驻留在内存直到运行完毕,这就引发了两种情况: (1)长作业由于要求的内存空间超过了内存实际大小,不能被装入内存从而无法运行。 (2)内存有限,致使大量的作业留在外存上等待。 虚拟存储引言 解决的方法: 一种方法是从物理上增加内存容量; 另一种方法是从逻辑上扩充内存容量,本章主要介绍的问题。 4.5 虚拟存储管理 虚拟存储管理要研究的问题是:一次性和驻留性是不是必须的;是否可以在进程运行之前将一部分程序装入内存,而另一部分则装入外存,在程序运行过程中由操作系统进行动态调度。 虚拟存储技术 如果把程序部分装入内存,其余大部分放在外存,而程序又能运行,这样我们就拥有了一个比有限的实际内存空间大得多的、逻辑的虚拟内存空间。即用大容量的外存来模拟内存,这种存储模式就称之为虚拟存储技术。 基于局部性原理,一个作业(程序)在运行前,没有必要全部装入内存,仅将当前要运行的那部分页面或段,先装入内存即可启动运行。 其余部分暂时留在外存上,程序在运行时如果所要访问的页或段已调入内存,则可继续运行,若尚未调入内存即缺页或缺段,程序利用OS提供的请求调页或段功能,将它们调入内存,使进程继续执行下去。 若内存已满,无法再装入新的页或段,将暂时不用的页或段调出至外存上,腾出足够的内存空间后,再将要访问的页或段调入内存,使程序继续执行下去。 如此下去,可使一个大的用户程序在较小的内存空间中运行,也可使内存中同时装入更多的进程并发执行。 从用户角度看,该系统所具有的内存空间,比实际容量大得多,这样的存储器称为虚拟存储器。 虚拟存储技术的特征 不连续性:物理内存分配的不连续,虚拟地址空间使用的不连续(数据段和栈段之间的空闲空间,共享段和动态链接库占用的空间) 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; 大空间:通过物理内存和快速外存相结合,提供大范围的虚拟地址空间 虚拟存储技术的种类: 请求分页虚拟存储管理(虚拟页式) 请求分段虚拟存储管理(虚拟段式) 请求段页虚拟存储管理(虚拟段页式) 请求分页存储管理方式是建立在纯分页基础上的,是目前常用的一种实现虚拟存储器的方式。 在纯分页基础上增加了请求调入和置换功能,这两个是实现虚拟存储的主要功能。 换进、换出的基本单位是固定长的页面。 基本原理 系统自动地将作业的地址空间分页,将系统的主存空间分块,页与块等大小,在作业运行前,只把初始需要的一部分页面装入内存块里,运行中需要访问自己地址空间中的但当前不在内存的页面时产生缺页中断,由缺页中断服务程序将所需的页面调入内存,若此时内存中没有空闲物理块安置请求调入的新页面,则系统按预定的置换策略自动选择一个或一些在内存的页面,把它们换出到外存。 要实现以上功能,系统应提供以下硬件支持: (1)请求分页的页表机制。是在纯分页的页表机制上增加若干项而形成的,作为请求分页的数据结构。 (2)缺页中断机构。每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时,便产生一缺页中断,以请求OS将所缺的页面调入内存。 (3)地址变换机构 是在纯分页的地址变换机构的基础上发展形成的。 要实现请求调页还应得到OS的支持,在实现请求调页功能时,是由OS将所需的页从外存调入内存,在实现置换功能时,也是由OS将内存的某些页调至外存。 页表机制 请求分页系统中所需要的主要数据结构是页表。其基本作用是将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间的物理地址。在页表中增加了若干项,供程序(数据)在换进、换出时参考。其页表项: 请求分页存储管理示意图: 缺页中断机制 每当所要访问的页面不在内存时,系统便产生一缺页中断,请求OS将所缺之页调入内存。 缺页中断,要经历以下几个步骤: 保护CPU环境 分析中断原因 转入缺页中断处理程序进行处理 恢复CPU环境 地址变换机构 请求分页系统中的地址变换机构,是在分页系统的地址变换机构的基础上,为实现虚拟存储器而增加了某些功能形成的。其过程如下图示: 缺页率 虽然通过缺页中断将所需要的页调入内存,但缺页中断的频繁发生会严重影响程序执行的效率。为了标识缺页中断发生的频度,可以引入缺页率来表示。 缺页率 设进程在其执行期间共进行了S次访页操作,其中成功访页次数为A(访问时该页在主存),不成功的访页次数为B(即发生了缺页中断),显然有:S=A+B, 则该进程的缺页率f定义为:f=B/S。 显然缺页率越低越好。 页面分配策略 系统为进程分配主存,需考虑因素: 空闲页面如何管理; 采用什么样的分配策略; 为进程分配多少物理块比较合适; 在什么时间进行页面分配等 页面分
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