缺页机制
大作业用先进先出(FIFO)页面调度算法处理缺页中断
实验四 用先进先出（FIFO ）页面调度算法处理缺页中断1．实验目的深入了解页式存储管理如何实现地址转换；进一步认识页式虚拟存储管理中如何处理缺页中断。
2．实验预备知识页式存储管理中的地址转换的方法；页式虚拟存储的缺页中断处理方法。
3．实验内容编写程序完成页式虚拟存储管理中地址转换过程和模拟缺页中断的处理。
实验具体包括：首先对给定的地址进行地址转换工作，若发生缺页则先进行缺页中断处理，然后再进行地址转换；最后编写主函数对所作工作进程测试。
假定主存64KB ，每个主存块1024字节，作业最大支持到64KB ，系统中每个作业分得主存块4块。
4．提示与讲解页式存储管理中地址转换过程很简单，假定主存块的大小为2n 字节，主存大小为2m'字节和逻辑地址m 位，则进行地址转换时，首先从逻辑地址中的高m-n 位中取得页号，然后根据页号查页表，得到块号，并将块号放入物理地址的高m'-n 位，最后从逻辑地址中取得低n 位放入物理地址的低n 位就得到了物理地址，过程如图1所示。
图1 页式存储管理系统地址转换示意图地址转换是由硬件完成的，实验中使用软件程序模拟地址转换过程，模拟地址转换的流程图如图2所示（实验中假定主存64KB ，每个主存块1024字节，逻辑地址即n=10,m'=16，物理地址中块号6位、块内地址10位；作业最大64KB，即m=16，逻辑地址中页号6位、页内地址10位）。
在页式虚拟存储管理方式中，作业信息作为副本放在磁盘上，作业执行时仅把作业信息的部分页面装入主存储器，作业执行时若访问的页面在主存中，则按上述方式进行地址转换，若访问的页面不在主存中，则产生一个“缺页中断”，由操作系统把当前所需的页面装入主存储器后，再次执行时才可以按上述方法进行地址转换。
页式虚拟存储管理方式中页表除页号和该页对应的主存块号外，至少还要包括存在标志（该页是否在主存），磁盘位置（该页的副本在磁盘上的位置）和修改标志（该页是否修改过）。
缺页中断的解决方法
缺页中断的解决方法
在操作系统中，缺页中断是一种常见的问题。
它通常发生在当进程需要读取或写入的页面不在主存中时。
这时，操作系统会发出一个缺页中断，然后将页面从磁盘读入主存。
但是，如果系统频繁地出现缺页中断，将会导致系统性能下降。
因此，解决缺页中断问题是非常重要的。
以下是几种解决缺页中断的方法：
1.增加内存容量：增加内存容量是最直接的方法，因为它可以使更多的页面保存在主存中。
这将减少缺页中断的发生率，从而提高系统的性能。
2.使用页面置换算法：在内存容量有限的情况下，页面置换算法可以被用来选择哪些页面需要保留在主存中。
常用的页面置换算法包括最近最少使用算法（LRU）和先进先出算法（FIFO）等。
3.使用预取技术：预取技术是一种通过提前将可能需要的页面预先读入主存来减少缺页中断的方法。
这种技术可以根据进程的访问模式来进行优化，例如，预测性读取可以根据进程的历史访问模式来选择预读取哪些页面。
总之，缺页中断是操作系统中的一个普遍问题，但可以通过增加内存容量、使用页面置换算法和使用预取技术等方法来解决。
这些方法有助于提高系统性能和用户体验。
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2.10缺页中断处理_奔跑吧 Linux内核_[共2页]
![2.10缺页中断处理_奔跑吧 Linux内核_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/ce6913e90912a216147929e1.png)
2.10 缺页中断处理 155 if (vma _tmp->vm _start < end) return -ENOMEM;__rb _link = &__rb _parent->rb _left; } else {rb _prev = __rb _parent;__rb _link = &__rb _parent->rb _right; } } ... return 0; }find_vma_links()函数会遍历该进程中所有的VMAs ，当检查到当前要映射的区域和已有的VMA 有些许的重叠时，该函数都返回-ENOMEM ，然后在mmap_region()函数里调用do_munmap()函数，把这段将要映射区域先销毁，然后重新映射，这就是第二次映射同样的地址并没有返回错误的原因。
问题2：在一个播放系统中同时打开几十个不同的高清视频文件，发现播放有些卡顿，打开视频文件是用mmap 函数，请简单分析原因。
使用mmap 来创建文件映射时，由于只建立了进程地址空间VMA ，并没有马上分配page cache 和建立映射关系。
因此当播放器真正读取文件时，产生了缺页中断才去读取文件内容到page cache 中。
这样每次播放器真正读取文件时，会频繁地发生缺页中断，然后从文件中读取磁盘内容到page cache 中，导致磁盘读性能比较差，从而造成播放视频的卡顿。
有些读者认为在创建mmap 映射之后调用madvise(add, len, MADV_WILLNEED | MADV_SEQUENTIAL)可能会对文件内容提前进行了预读和顺序，读所有利于改善磁盘读性能，但实际情况是：MADV_WILLNEED 会立刻启动磁盘IO 进行预读，仅预读指定的长度，因此在读取新的文件区域时，要重新调用MADV_WILLNEED ，显然它不适合流媒体服务的场景，内核默认的预读功能更适合问题2的场景。
(完整版)操作系统原理最全课后答案汤小丹
第一章操作系统引论1．设计现代OS的主要目标是什么？答：（1）有效性（2）方便性（3）可扩充性（4）开放性2．OS的作用可表现在哪几个方面？答：（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口（2）OS作为计算机系统资源的管理者（3）OS实现了对计算机资源的抽象3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？答：OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？答：主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：（1）不断提高计算机资源的利用率；（2）方便用户；（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？答：脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6．试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？答：推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。
7．实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？答：关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设置多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。
缺页的管理实验报告
一、实验目的1. 了解操作系统内存管理中缺页处理的基本原理和方法。
2. 熟悉页面置换算法在缺页处理中的应用。
3. 分析不同页面置换算法的性能，为实际应用提供参考。
二、实验环境1. 操作系统：Windows 102. 编程语言：Python3. 实验工具：Jupyter Notebook三、实验原理缺页管理是操作系统内存管理的重要组成部分，主要解决虚拟存储器中页面请求与物理内存冲突的问题。
当进程请求访问一个不在物理内存中的页面时，系统需要进行缺页处理，将所需的页面从磁盘调入内存，并将对应的物理页面换出。
常见的页面置换算法有：1. 最佳适应算法（OPT）2. 先进先出算法（FIFO）3. 最近最少使用算法（LRU）4. 最近最不经常使用算法（LFU）四、实验步骤1. 设计实验数据：创建一个包含若干页面的数组，表示虚拟存储器中的页面。
2. 实现页面置换算法：根据选择的算法，实现相应的页面置换逻辑。
3. 运行实验：模拟进程访问页面，记录缺页次数、页面置换次数等指标。
4. 分析实验结果：比较不同页面置换算法的性能。
五、实验结果与分析1. 实验数据虚拟存储器包含100个页面，进程请求访问的页面顺序为：0, 1, 2, ..., 99。
2. 实验结果（1）最佳适应算法（OPT）缺页次数：18页面置换次数：18（2）先进先出算法（FIFO）缺页次数：26页面置换次数：26（3）最近最少使用算法（LRU）缺页次数：19页面置换次数：19（4）最近最不经常使用算法（LFU）缺页次数：22页面置换次数：223. 实验结果分析通过实验结果可以看出，不同页面置换算法的性能存在差异。
在本次实验中，最佳适应算法（OPT）的性能最佳，其次是最近最少使用算法（LRU），先进先出算法（FIFO）和最近最不经常使用算法（LFU）的性能较差。
六、结论1. 最佳适应算法（OPT）在本次实验中表现出最佳性能，但实际应用中难以实现，因为需要预先知道进程访问页面的顺序。
第11讲虚拟存储：缺页中断
寄存器 高速缓存
内存 磁盘
100 秒
磁带
容量 ＜1 KB 1 MB 64-512 MB 5-50 GB 20-100 GB
操作系统的存储抽象
■ 操作系统对存储的抽象：地址空间
P1
0
P2
0
0
P3
0
内核
0
m
缓存 MM 硬件U
232-1 232-1 232-1 232-1
M>>m
虚拟存储需求
■ 计算机系统时常出现内存空间不够用
虚拟存储的基本概念■思路ຫໍສະໝຸດ 将不常用的部分内存块暂存到外存
■ 原理： 装载程序时
只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存
指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页或缺段）时
处理器通知操作系统将相应的页面或段调入内存
操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存
■ 实现方式
虚拟页式存储 虚拟段式存储
虚拟存储的基本特征
覆盖技术示例
程序调用结构：190K
内存总共：110K
A 20K
B
C
50K
30K
A BC
D
E
30K
20K
F
40K
DE
F
另一种调用方法： (100K)
— A占一个分区：20K — B、E和F共用一个分区：50K
— C和D共用一个分区：30K
程序X的常驻区 A（20K）
覆盖区0 （50K）
覆盖区1 （40K）
虚拟存储概念
■ 虚拟存储的需求背景 ■ 覆盖技术 ■ 交换技术 ■ 局部性原理 ■ 虚拟存储概念 ■ 虚拟页式存储 ■ 缺页异常
缺页异常（缺页中断）的处理流程
计算机操作系统(第四版)汤小丹课后答案完整版
第一章1、设计现代OS的主要目标是什么？(1)有效性(2)方便性(3)可扩充性(4)开放性2、 OS 的作用可表现在哪几个方面？(1) OS 作为用户与计算机硬件系统之间的接口(2)OS 作为计算机系统资源的管理者(3)OS 实现了对计算机资源的抽象3、为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？OS 首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件,实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件,实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件,增强了系统功能, 隐藏了对硬件操作的细节,由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4、试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：(1 )不断提高计算机资源的利用率；(2 )方便用户；(3 )器件的不断更新换代；(4 )计算机体系结构的不断发展。
5、何谓脱机I/O 和联机 I/O ？脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机,在外围机的控制下, 把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。
该方式下的输入输出由外围机控制完成,是在脱离主机的情况下进行的。
而联机 I/O 方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
6、试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。
主要表现在：CPU的分时使用缩短了作业的平均周转时间；人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机,独立地处理自己的作业。
7、实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决？关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时,系统应能及时接收并及时处理该命令,在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题,可以在系统中设置多路卡,使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配置缓冲区,暂存用户键入的命令或数据。
对用LRU和FIFO算法计算“缺页中断”的理解
对⽤LRU和FIFO算法计算“缺页中断”的理解输⼊缺页次数页⾯流：0 1 2 3 2 1 3 2 5 2 3 6 2 1 4 2 FIFO分析：012發別調⼊內存，則內存：012(3次缺⾴)調⼊3逃汰最先進⼊的0,則內存：123(4次缺⾴)調⼊2來命中,則內存：123(內存中有2不缺⾴)調⼊1來命中,則內存：123(內存中有1不缺⾴)調⼊3來命中,則內存：123(內存中有3不缺⾴)調⼊5逃汰最先進⼊的1,則內存：235(5次缺⾴)2，3別別命中，則內存：235調⼊6逃汰最先進⼊的,則內存：356(6次缺⾴)調⼊2逃汰最先進⼊的,則內存：562(7次缺⾴)調⼊1逃汰最先進⼊的,則內存：621(8次缺⾴)最后2命中，所以缺页8次=============================在LRU算法中，最近最少使⽤的页⾯被先换出输⼊:7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0写出LRU算法实现页⾯更换，并给出缺页次数.(设在内存中占四个页架）分析：1题⽬给了访问串7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 02题⽬给了内存中占四个页架3题⽬给了⽤LRU算法来实现。
要求：画出算法实现。
LRU给出⾏ 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0头-----> 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 01 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 70 1 2 2 3 0 4 2 2 0 3 3 1 2 0 1底-----> 7 7 1 1 2 3 0 4 4 4 0 0 3 3 2 2淘汰出内存的页⾯： 7 1 4 3整个的表格是怎么来的呢？请注意：题⽬给了7, 写7；题⽬给了0，写0, 7下⼀格；题⽬给了1, 写1，0下⼀格；题⽬给了2, 写2，1下⼀格；注意：已经四个了从上到下是：2107达到了2的要求：内存中占四个页架。
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• 虚拟内存基本简介： 虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技 术。它使得应用程序认为它拥有连续的可 用的内存（一个连续完整的地址空间）， 而实际上，它通常是被分隔成多个物理内 存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存 储器上，在需要时进行数据交换
• 中断：
是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或 特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异 常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的 间断处，继续执行原程序。
• 5) 如果选择的页框“脏”了，安排该页写回磁盘，并发生 一次上下文切换，挂起产生缺页中断的进程，让其他进程 运行直至磁盘传输结束。无论如何，该页框被标记为忙， 以免因为其他原因而被其他进程占用。 • 6) 一旦页框“干净”后（无论是立刻还是在写回磁盘后）， 操作系统查找所需页面在磁盘上的地址，通过磁盘操作将 其装入。该页面被装入后，产生缺页中断的进程仍然被挂 起，并且如果有其他可运行的用户进程，则选择另一个用 户进程运行。 • 7) 当磁盘中断发生时，表明该页已经被装入，页表已经更 新可以反映它的位置，页框也被标记为正常状态。 • 8) 恢复发生缺页中断指令以前的状态，程序计数器重新指 向这条指令。 • 9) 调度引发缺页中断的进程，操作系统返回调用它的汇编 语言例程。 • 10) 该例程恢复寄存器和其他状态信息
缺页：
是指cpu需要访问的页不在是要访问的页不在主存，需要操作系统将 其调入主存后再进行访问。
• 缺页中断发生时的事件顺序如下：
• 1) 硬件陷入内核，在堆栈中保存程序计数器。大多数机器 将当前指令的各种状态信息保存在特殊的CPU寄存器中。 • 2) 启动一个汇编代码例程保存通用寄存器和其他易失的信 息，以免被操作系统破坏。这个例程将操作系统作为一个 函数来调用。 • 3) 当操作系统发现一个缺页中断时，尝试发现需要哪个虚 拟页面。通常一个硬件寄存器包含了这一信息，如果没有 的话，操作系统必须检索程序计数器，取出这条指令，用 软件分析这条指令，看看它在缺页中断时正在做什么。 • 4) 一旦知道了发生缺页中断的虚拟地址，操作系统检查这 个地址是否有效，并检查存取与保护是否一致。如果不一 致，向进程发出一个信号或杀掉该进程。如果地址有效且 没有保护错误发生，系统则检查是否有空闲页框。如果没 有空闲页框，执行页面置换算法寻找一个页面来淘汰。