蒲晓蓉_操作系统原理第3_3章_存储管理

虚拟存储分段技术
• 建立在简单存储分段系统基础上，利用动态分 区技术分配存储空间，并以段作为交换的单位。
• 进程执行之前，系统为之分配几个必要的内存 分区，每一个分区中装入一段。 • 当进程执行过程中，出现缺段中断时，操作系 统将为进程装入需要的程序段。
虚拟存储分段：数据结构
• 因此，需要修改段表，增加“存在”字 段和“修改”字段，分别标明对应段是 否存在于内存，以及内存中的段自装入 以来是否被修改过。
虚拟存储分页技术
• 建立在简单分页存储管理系统之上，是 目前常用的一种虚拟存储管理技术。
地址变换
• 基于简单存储分页系统增加了某些功能，如产 生和处理缺页中断，以及从内存中换出页面等。 • 进程执行时，首先通过根据逻辑地址中的页号， 查找快表中是否存在对应的页表项。若快表中 不存在该页表项，则再查找页表。检查对应的 页面是否在内存中存在。若该页面不在内存， 启动缺页中断处理例程，装入需要的页面，并 更新页表和快表。若该页面已经在内存中，将 对应的页表项插入快表中，更新快表。若快表 中存在该表项，则直接取出其中的页框号，加 上页内偏移量，计算出物理地址。
逻辑地址 段号 偏移量
检索快表
？命中 是 否 访问段表 ？段在内存 是 ？地址越界 否 ？合法访问 是 更新快表 段基址 偏移量 物理地址 否 是 越界中断处理 更新段表 否
缺段中断处理
非法访问中断
图3.31 虚拟存储分段系统地址变换过程
段s不在内存
阻塞执行进程 否 内存中有合 适的空闲区 吗？ 是 从外存读入段s 空闲区容量 总和能否满 足？ 是 修改段表、空闲分区表 拼接外零头，形成 一个合适的空闲区 换出一个或几个段 形成一个合适空闲区
• 如果能将一部分价格较低的外存空间当作内存 使用，从逻辑上扩充内存容量。那么，将获得 更高的性价比。
虚拟存储技术的理论依据
• 程序执行的局部性原理：程序的执行总是呈现 局部性。即，在一个较短的时间段内，程序的 执行仅限于某个部分；相应的，它所访问的存 储空间也局限于某个区域。
• 因此，只要保证进程执行所需的部分程序和数 据驻留在内存，一段时间内进程都能顺利执行。
储器
虚拟存储技术的技术支持
• 首先，必须有相应的硬件支持，用以实 现虚拟分页或虚拟分段存储管理。 • 其次，操作系统必须提供相应的软件支 持，管理页或段在内存和外存之间的移 动。
虚拟存储的基本数据结构
• 由于虚拟存储系统中，进程的程序代码和数据 只有一部分在内存，另一部分保存在外存。
• 在页/段表项中增加一个“存在”字段，其值 为0或1。 • 增加一个“修改”字段，表明对应页/段自进 入内存以来是否被修改过。只有被修改过的页 /段才需要保存到外存，若需要将未修改过的 页/段换出内存，只需要将新装入的页/段直接 覆盖其存储区域，而不必将其内容保存到外存。
— 可以由系统根据进程的类型确定，也可以 由编程人员或系统管理员指定。
可变分配策略
• 为每个活跃进程分配的页框数在进程的生命周 期内是可变的。即，系统可以首先给进程分配 一定数量的页框。进程运行期间，可以增加或 减少页框。 • 系统可以根据进程的缺页率调整进程的驻留集。
—当进程的缺页率很高时，驻留集太小，需要增加页 框； —当缺页率一段时间内都保持很低时，可以在不会明 显增加进程缺页率的前提下， 回收 其一部分页框，减 小进程的驻留集。
否
唤醒进程
返回
图3.31 虚拟存储分段系统中的缺段中断的处理过程
虚拟存储段页式技术
• 虚拟存储段页式系统中，程序和数据通常以页 面为单位被系统装入和移出内存。
• 因此，一般不需要在段表项中增加“存在”字 段和“修改”字段，而将它们放在页表中。 • 段表中需要保留基于段的保护与存储共享等目 的的存取控制信息，页表中设臵基于页的控制 信息。
交换页/段
从外存装入页/段
更新页/段表
图3.28 实现虚拟存储的典型过程
？什么是虚拟存储
• 通过系统提供的缺页/段中断功能和交换技术， 动态装入进程的程序代码和数据，使得一个大 的用户程序能在一个相对较小的内存空间中运 行，也使得有限的内存能同时容纳更多的进程。
• 习惯上，人们把这种用户感觉上的、由实际内 存和部分外存共同构成的存储空间称为虚拟存
地址变换与存储保护
• 在简单分段系统的地址变换机构基础上形成的。 • 越界检查：可能产生一个地址越界中断，进入 相应的中断处理例程执行。一般地，当地址越 界中断处理完毕，该进程将异常结束。 • 操作合法性检查：如果属于非法操作，产生非 法访问中断，这时也会让进程异常终止。 • 缺段处理：执行进程被阻塞。并产生一个中断 信号，处理机执行缺段中断处理例程。
基本的驻留集管理策略
• 固定分配策略(Fixed-Allocation Policy) • 可变分配策略(Variable-Allocation Policy)
固定分配策略
• 为每个进程分配 固定数量 的页框。即， 每个活跃进程的驻留集尺寸在运行期间 固定不变。 • 为进程分配多少个页框是合理的呢？
虚拟存储的好处
• 第一，可以运行大程序，包括超过内存 实际容量的大程序。 • 第二，可以在有限的物理内存中运行更 多的程序。多道程序系统的度不再受到 物理内存空间的限制。
虚拟存储的典型问题 抖动（thrashing）
• 当进程要求装入新的页面或程序段时，如果当 前没有足够的空闲空间，需要交换一些页面或 段到外存。如果被交换出去的页面或段很快将 被进程使用，则又需要将其换入内存。 • 如果系统花费大量的时间把程序和数据频繁地 装入和移出内存而不是执行用户指令，那么， 称系统出现了抖动。出现抖动现象时，系统显 得非常繁忙，但是吞吐量很低，甚至产出为零。 • 根本原因：选择的页面或段不恰当。
逻辑地址 页号 偏移量 检索快表 ？内存满 ？命中 是 否 访问页表 处理机从外存取该页 ？页在内存 是 更新快表 页框号 偏移量 物理地址 否 将该页装入内存 更新页表 缺页中断处理 否 处理机处理中断 是
换出页面
图3.30 虚拟存储分页系统地址变换过程
缺页中断处理过程
（1）操作系统接收到进程产生的缺页中断信号，启动中 断处理例程，保留处理机现场； （2）操作系统通知处理机从外存读取指定的页面； （3）处理机激活I/O设备； （4） 检查内存有无足够的空闲空间装入该页面？若有， 转（6），否则，执行（5）； （5） 利用页面臵换算法，选择内存中的某个页面，换 出内存； （6） 将指定页面从外存装入内存； （7） 更新该进程的页表； （8） 更新快表； （9）计算物理地址。
页号
页框号
存在
修改
其他控制
(a) 虚拟存储页表项 段号 段长 段基址长 存在 修改 其他控制
(b) 虚拟存储段表项 段号 页号 页表长度 页框号 页表基址 存在 修改 其他控制 其他控制 段表项 页表项
(c) 虚拟存储段页式系统的段表项和页表项 图3.29 虚拟分页、分段及段页式存储系统的数据结构
虚拟存储系统的软件策略
• • • • • • 驻留集管理(Resident Set Management) 放臵策略(Placement Policy) 获取策略(Fetch Policy) 臵换策略(Replacement Policy) 清除策略(Cleaning Policy) 负载控制(Load Control)
局部臵换策略
段号
逻辑地址 段内页号 页内偏移量
检索快表 是 否 缺页中断处理 访问段表 访问页表
？命中
更新页表 否
？页在内存 是 更新快表 页框号 图3.32 偏移量
物理地址
虚拟存储分页系统地址变换过程
虚拟存储系统的软件策略
• 现代操作系统几乎都采用虚拟存储管理系统 • 一些特殊的操作系统和一些较老的操作系统没 有采用虚拟存储技术。例如，MS DOS和早期的 UNIX操作系统等。 • 大多采用分段与分页相结合的段页式管理系统。 • 下面以分页存储管理为例，介绍虚拟存储系统 采用的软件策略。
实现虚拟存储的一般过程
• 进程运行之前，仅需要将一部分页面或段装入 内存，便可启动运行，其余部分暂时保留在磁 盘上。
• 进程运行时，如果它所需要访问的页面（段） 已经装入内存，则可以继续执行下去； • 如果其所需要访问的页面（段）尚未装入内存， 则发生缺页（段）中断，进程阻塞。 • 此时，系统将启动请求调页（段）功能，将进 程所需的页（段）装入内存。
地址变换
• 首先，通过根据段号和页号，查找快表中是否 存在对应的页表项。 • 若快表中不存在该页表项，则再查找段表。然 后，检索段号对应的段表项，找到对应段的页 表起始地址。 • 再根据页号检索该页表，检查对应页面是否在 内存。若该页面不在内存，启动缺页中断处理 例程，装入需要的页面，并更新页表和快表。 若该页面已经在内存中，将对应的页表项插入 快表中，更新快表。 • 若快表中存在该表项，则直接取出其中的页框 号，加上页内偏移量，计算出物理地址。
3.5 虚拟存储管理技术
• 简单存储：要求将一个进程所需的程序和数据 全部装入内存方可执行。
• 这样的系统存在两个很严重的问题。
— 其一，对于大进程，如果其所需内存空间超过了内存 的最大容量，则无法运行。 — 其二，对于多道程序系统，由于每一个进程需要全部 装入内存，使同时驻留内存的进程数量受到限制。虽 然也可以通过提高内存容量来解决，但是代价太高。
页面获取策略
• 解决的问题：系统应当在 何时 把一个页 面装入内存？ • 请求调页 (Demand Paging) • 预调页 (Prepaging)
请求调页
• 仅当进程执行过程中，通过检查页表发现相应 页面不在内存时，才装入该页面。 • 当进程刚开始执行时，由于预先未装入进程的 页面，故需要频繁地申请装入页面。执行一段 时间以后，进程的缺页率将下降。 • 采用请求调页方式，一次装入请求的一个页面， 磁盘I/O的启动频率较高，系统的开销较大。