【操作系统教程】HITICS-第9章 L2虚拟内存-系统
操作系统实验实验报告 虚拟内存
操作系统实验实验报告虚拟内存一、实验目的本次操作系统实验的目的是深入理解虚拟内存的概念、原理和实现机制，通过实际操作和观察，掌握虚拟内存的相关技术，包括页面置换算法、内存分配策略等，并分析其对系统性能的影响。
二、实验环境操作系统：Windows 10 专业版开发工具：Visual Studio 2019编程语言：C+＋三、实验原理1、虚拟内存的概念虚拟内存是一种计算机系统内存管理技术，它使得应用程序认为自己拥有连续的可用内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，这些内存可能是被分散存储在物理内存和外部存储设备（如硬盘）中的。
虚拟内存通过将程序使用的内存地址映射到物理内存地址，实现了内存的按需分配和管理。
2、页面置换算法当物理内存不足时，操作系统需要选择一些页面（内存中的固定大小的块）换出到外部存储设备，以腾出空间给新的页面。
常见的页面置换算法有先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法、时钟（Clock）算法等。
3、内存分配策略操作系统在分配内存时，需要考虑如何有效地利用有限的物理内存资源。
常见的内存分配策略有连续分配、分页分配和分段分配等。
四、实验内容与步骤1、实现简单的虚拟内存系统使用 C+＋编写一个简单的虚拟内存模拟程序，包括内存页面的管理、地址映射、页面置换等功能。
2、测试不同的页面置换算法在虚拟内存系统中，分别实现 FIFO、LRU 和 Clock 算法，并对相同的访问序列进行测试，比较它们的页面置换次数和缺页率。
3、分析内存分配策略的影响分别采用连续分配、分页分配和分段分配策略，对不同大小和类型的程序进行内存分配，观察系统的性能（如内存利用率、执行时间等）。
具体步骤如下：（1）定义内存页面的结构，包括页面号、标志位（是否在内存中、是否被修改等）等。
（2）实现地址映射函数，将虚拟地址转换为物理地址。
（3）编写页面置换算法的函数，根据不同的算法选择要置换的页面。
（4）创建测试用例，生成随机的访问序列，对不同的算法和分配策略进行测试。
操作系统教程第五版费翔林课后答案
操作系统教程第五版费翔林课后答案本文是针对操作系统教程第五版费翔林书籍中的课后题目提供的答案解析。
在这个教程中，费翔林教授详细介绍了操作系统的基本概念、原理和实践，涵盖了进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等各个方面。
通过对这些课后题目的解答，可以更好地理解和巩固操作系统的知识。
第一章：引论1.什么是操作系统？它的主要目标是什么？–答案：操作系统是一种控制和管理计算机硬件和软件资源的系统软件。
操作系统的主要目标是为用户提供一个方便、高效、安全的计算机环境。
2.请简要描述操作系统的角色和功能。
–答案：操作系统有几个角色和功能：•资源管理：操作系统管理计算机的各种硬件资源，包括处理器、内存、存储设备和输入输出设备。
•进程管理：操作系统创建、调度和终止进程，以及处理进程间的通信和同步。
•内存管理：操作系统分配和回收内存，管理虚拟内存，以及处理内存的保护和共享机制。
•文件系统：操作系统管理文件和目录的存储和访问，提供文件的创建、读取、写入和删除等操作。
•设备管理：操作系统管理计算机的输入输出设备，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
•用户接口：操作系统提供了与计算机交互的界面，包括命令行界面和图形用户界面等。
第二章：进程管理1.什么是进程？进程的状态有哪些？–答案：进程是指在计算机中正在运行的程序的实例。
进程的状态包括：•就绪：进程已经准备好执行，但是还没有被分配到处理器。
•运行：进程正在处理器上执行。
•阻塞：进程由于某些原因不能继续执行，需要等待某个事件的发生。
•终止：进程已经完成或被终止，等待被操作系统回收。
2.请简要描述进程的创建、终止和状态切换的过程。
–答案：进程的创建是通过调用系统调用来完成的，系统为新进程分配资源，并设置进程的初始状态。
进程的终止可以是正常终止（调用系统调用进行退出）或异常终止（例如发生错误）。
进程状态之间的切换通过操作系统的调度算法来实现，例如从就绪状态切换到运行状态，或从运行状态切换到阻塞状态。
内存条物理内存怎么设置虚拟内存
内存条物理内存怎么设置虚拟内存内存条物理内存设置虚拟内存参考如下虚拟内存也称为虚拟内存。
计算机中运行的所有程序都需要通过内存执行。
如果执行的程序占用大量内存，就会导致内存耗尽。
为了解决这个问题，windows中使用了虚拟内存[2]技术，即留出一部分硬盘空间用作内存。
当内存耗尽时，计算机会自动调用硬盘作为内存，以缓解内存紧张。
如果计算机运行程序或操作所需的ram不足，windows将使用虚拟内存进行补偿。
它将计算机的ram与硬盘上的临时空间结合起来。
当ram运行缓慢时，它会将数据从ram移动到一个称为“分页文件”的空间。
将数据移动到分页文件中可以释放ram来完成工作。
一般来说，计算机的ram容量越大，程序运行得越快。
如果由于缺少ram可用空间而导致计算机速度减慢，可以尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。
但是，计算机从ram读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增ram容量可加内存条是最佳选择。
虚拟内存是windows为作为内存使用的一部分硬盘空间。
虚拟内存在硬盘上其实就是为一个硕大无比的文件，文件名是pagefile.sys，通常状态下是看不到的。
必须关闭资源管理器对系统文件的保护功能才能看到这个文件。
虚拟内存有时候也被称为是“页面文件”就是从这个文件的文件名中来的。
内存在计算机中扮演着重要的角色。
计算机中运行的所有程序都需要通过内存执行。
如果执行的程序很大或很多，就会导致内存耗尽。
为了解决这个问题，windows使用了虚拟内存技术，即取出部分硬盘空间作为内存。
这部分空间称为虚拟内存。
硬盘上虚拟内存的存在形式是pagefile Sys这个页面文件。
虚拟内存的设定主要根据你的物理内存大小和电脑的用途来设定，在桌面上用鼠标右击“我的电脑”，选择“属性”，就可以看到内存了。
根据微软公司的建议，虚拟内存设为物理内存容量的1.5--3倍，例如512mb的内存，虚拟内存设定为768--1536mb;1g的内存，虚拟内存设定为1536--3072mb。
虚拟内存设置的方法
虚拟内存设置的方法
虚拟内存设置的方法可以通过以下步骤进行：
1. 打开控制面板：可以通过在开始菜单中搜索和打开控制面板。
2. 进入系统和安全设置：在控制面板中，选择“系统和安全”选项。
3. 进入系统设置：在“系统和安全”选项中，选择“系统”选项。
4. 进入高级系统设置：在系统设置选项卡中，选择“高级系统设置”。
5. 进入虚拟内存设置：在高级系统设置对话框中，选择“性能”部分的“设置”按钮。
6. 进入虚拟内存设置对话框：在性能选项卡中，选择“高级”选项卡，然后点击“更改”按钮。
7. 调整虚拟内存大小：在虚拟内存对话框中，选择系统驱动器（通常是C盘）下的“自动管理页面文件大小”或者“自定义大小”。
- 如果选择“自动管理页面文件大小”，系统将自动根据需要来调整页面文件大小。
- 如果选择“自定义大小”，可以手动设置初始大小和最大大小，通常建议设置成物理内存的1.5倍。
8. 确认并应用设置：点击“设置”按钮后，确认设置后点击“确定”按钮，然后再点击“应用”按钮，最后点击“确定”按钮。
9. 重新启动计算机：为了使新的虚拟内存设置生效，需要重新启动计算机。
完成上述步骤后，便成功进行了虚拟内存的设置。
如何正确配置电脑虚拟内存
如何正确配置电脑虚拟内存在使用电脑的过程中，虚拟内存是一个经常被提及但又可能让很多人感到困惑的概念。
正确配置虚拟内存对于电脑的性能优化至关重要。
接下来，让我们详细了解一下如何正确配置电脑虚拟内存。
首先，我们要明白什么是虚拟内存。
简单来说，虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。
当电脑物理内存（也就是我们常说的内存条的容量）不够用时，操作系统会把一部分硬盘空间当作内存来使用，这部分硬盘空间就是虚拟内存。
那么，为什么需要虚拟内存呢？想象一下，您正在运行多个大型程序，而电脑的物理内存无法同时容纳这些程序所需的数据。
这时，虚拟内存就派上用场了。
它可以暂时存储那些物理内存容纳不下的数据，从而让程序能够继续运行。
接下来，我们谈谈如何确定是否需要调整虚拟内存的设置。
一般情况下，如果您的电脑经常出现内存不足的提示，或者在运行多个程序时变得异常缓慢，这可能就意味着您需要考虑调整虚拟内存了。
另外，您还可以通过查看任务管理器中的性能选项，来了解当前物理内存的使用情况。
如果物理内存的使用率一直处于较高水平，比如超过80%，那么调整虚拟内存可能会对性能有所帮助。
现在，让我们进入正题——如何正确配置虚拟内存。
第一步，打开电脑的控制面板。
在 Windows 系统中，可以通过在搜索栏中输入“控制面板”来找到它。
第二步，在控制面板中，找到“系统和安全”选项，点击进入。
第三步，在“系统和安全”页面中，找到“系统”选项，点击进入。
第四步，在系统页面中，点击左侧的“高级系统设置”。
第五步，在弹出的“系统属性”对话框中，切换到“高级”选项卡，然后点击“性能”区域中的“设置”按钮。
第六步，在“性能选项”对话框中，再次切换到“高级”选项卡，在“虚拟内存”区域中，点击“更改”按钮。
此时，您将看到虚拟内存的设置页面。
在这里，您可以看到每个驱动器（通常是 C 盘、D 盘等）的分页文件大小设置。
首先，系统默认是自动管理所有驱动器的分页文件大小。
如果您想手动设置，需要取消勾选“自动管理所有驱动器的分页文件大小”。
虚拟内存
计算机系统内存管理的技术
01 简介
03 调度方式
目录
02 工作原理 04 虚拟存储地址变换
目录
05 的关键问题
07 相关概念
06 设置
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。大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间” 等。
相关概念
的访问过程
实地址与虚地址
异构体系
用户编制程序时使用的地址称为虚地址或逻辑地址，其对应的存储空间称为虚存空间或逻辑地址空间；而计 算机物理内存的访问地址则称为实地址或物理地址，其对应的存储空间称为物理存储空间或主存空间。程序进行 虚地址到实地址转换的过程称为程序的再定位。
虚存空间的用户程序按照虚地址编程并存放在辅存中。程序运行时，由地址变换机构依据当时分配给该程序 的实地址空间把程序的一部分调入实存。每次访存时，首先判断该虚地址所对应的部分是否在实存中：如果是， 则进行地址转换并用实地址访问主存；否则，按照某种算法将辅存中的部分程序调度进内存，再按同样的方法访 问主存。
由此可见，每个程序的虚地址空间可以远大于实地址空间，也可以远小于实地址空间。后一种情况通常出现 在多用户或多任务系统中：实存空间较大，而单个任务并不需要很大的地址空间，较小的虚存空间则可以缩短指 令中地址字段的长度。
有了虚存的机制后，应用程序就可以透明地使用整个虚存空间。对应用程序而言，如果主存的命中率很高， 虚存的访问时间就接近于主存访问时间，而虚存的大小仅仅依赖于辅存的大小。
构建操作系统教程知识图谱
构建操作系统教程知识图谱操作系统是计算机系统的核心组成部分，负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机硬件之间的接口。
操作系统教程是指针对操作系统的介绍、原理、设计和实现等方面的教学材料。
建立操作系统教程知识图谱是为了将操作系统知识的关系和结构进行可视化，方便学习者快速了解和掌握操作系统的核心概念和基本原理。
下面是一个基本的操作系统教程知识图谱：1. 操作系统概述：- 操作系统定义- 操作系统的作用和功能- 操作系统的分类2. 操作系统的基本原理：- 进程管理：- 进程定义和属性- 进程调度算法- 进程同步和通信- 内存管理：- 内存分配和回收- 内存管理算法- 虚拟内存管理- 文件系统：- 文件和文件系统的基本概念- 文件系统的组织和管理- 文件系统的访问控制和保护机制- 输入输出管理：- 输入输出设备的控制和管理- 缓冲区管理- 设备驱动程序的设计和实现3. 操作系统的设计和实现：- 操作系统的体系结构和模块划分- 操作系统的接口和系统调用- 操作系统的中断处理- 操作系统的内核和外壳设计- 操作系统的启动和加载过程操作系统教程知识图谱还可以不断完善和扩展，增加更多的知识点和深入的内容，以满足学习者的需求。
可以根据学习路径、难度等因素进行分类和标记，帮助学习者更有针对性地学习和掌握操作系统知识。
知识图谱的搭建可以借助人工智能技术，通过文本分析、自然语言处理和机器学习等方法，对大量的操作系统教程材料进行处理和整理，提取关键概念和知识点，并建立它们之间的关系。
可以使用图数据库等工具来组织和存储知识图谱的数据，并提供可视化的界面供学习者使用。
搭建操作系统教程知识图谱有助于提高学习效率和质量，帮助学习者更好地理解和掌握操作系统的核心概念和基本原理。
通过对知识的组织和整理，可以让学习者更加系统地学习和应用操作系统的知识。
虚拟内存设置方法
虚拟内存设置方法虚拟内存是计算机系统中的一种内存管理技术，用于将内存中的数据存储到硬盘上，以便释放物理内存空间。
在Windows操作系统中，可以通过以下步骤设置虚拟内存：1. 打开控制面板：可以通过点击开始菜单，然后在搜索框中输入"控制面板"来打开控制面板。
2. 进入系统和安全选项：在控制面板中，点击"系统和安全"选项。
3. 进入系统选项：在系统和安全页面中，点击"系统"选项。
4. 进入高级系统设置：在系统选项页面中，点击"高级系统设置"链接。
5. 进入高级选项卡：在系统属性对话框中，点击"高级"选项卡。
6. 修改虚拟内存设置：在高级选项卡中，点击"性能"部分下的"设置"按钮。
7. 进入虚拟内存设置：在性能选项对话框中，点击"高级"选项卡。
8. 修改虚拟内存大小：在虚拟内存选项中，点击"更改"按钮。
9. 取消自动管理虚拟内存：在虚拟内存对话框中，取消选中"自动管理所有驱动器的分页文件大小"复选框。
10. 设置虚拟内存大小：选择要修改的驱动器，并选择"自定义大小"选项。
然后，输入所需的初始大小（以MB为单位）和最大大小（以MB为单位）。
11. 保存设置：点击"设置"按钮后，系统会提示重新启动计算机以应用新的设置。
请注意，虚拟内存的大小应根据计算机的硬件配置和使用需求进行设置。
通常，建议将虚拟内存的初始大小设置为物理内存的1.5倍，并将最大大小设置为物理内存的3倍。
然而，具体的设置可能需要根据实际情况进行调整。
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▪ 这个过程称为内存映射（memory mapping）.
虚拟内存区域可以映射的对象 (根据初始值的不同来源分) :
▪ 磁盘上的普通文件 (e.g.,一个可执行目标文件)
▪ 文件区被分成页大小的片，对虚拟页面初始化
对每个进程都 不相同
与进程相关的数据结 构 (如页表,task和mm
结构, 内核栈)
对每个进程都 一样 %rsp
物理内存 内核代码和数据
用户栈
内核 虚拟 内存
共享库的内存映射区域
brk
运行时堆 (malloc)
进程 虚拟 内存
0x00400000
未初始化的数据 (.bss) 已初始化的数据 (.data)
16个组，每块为4字节 通过物理地址中的字段寻址 直接映射
CT
CI
CO
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
PPN
索引 标记位 有效位 块0 块1 块2 块3
0
19
1
99 11 23 11
1
15
0
–
–
–
–
2
1B
1
00 02 04 08
3
36
0
–
–
–
–
4
32
1
43 6D 8F 09
5
TLB miss
... ...
32/64
结果
L2, L3, 和主存
பைடு நூலகம்L1
L1
hit
miss
L1 d-cache
TLB
(64 组, 8 行/组)
hit
L1 TLB (16 组, 4个条目/组)
99
99
VPN1 VPN2 VPN3 VPN4
CR3
PTE PTE PTE PTE
40
12
PPN PPO 物理地址
0
19
Linux缺页处理
vm_area_struct
vm_end vm_start vm_prot vm_flags
vm_next
进程虚拟内存
共享库
vm_end vm_start vm_prot vm_flags
vm_next
vm_end vm_start vm_prot vm_flags vm_next
第9章 虚拟内存: 系统
1
主要内容
一个小内存系统示例 案例研究: Core i7/Linux 内存系统 内存映射
2
Review of Symbols符号回顾
基本参数
▪ N = 2n :虚拟地址空间中的地址数量 ▪ M = 2m : 物理地址空间中的地址数量 ▪ P = 2p : 页的大小 (bytes)
00000000100000
VPN
VPO
VPN 0_x_0_0
TLBI __0_ TLBT _0_x_0_0
TLB Hit? _N_ Page Fault? _N_ PPN: 0_x_2_8_
物理地址
CO__0_
CT
11 10 9 8
1010 PPN
CI_0_x_8 CT _0_x2__8
76
00
Hit? _N_
数据 代码
1 read
3 read
2 write
段错误: 访问一个不存在的页面
正常缺页
保护异常: 例如,违反许可，写一个只读的 页面(Linux 报告 Segmentation fault)
20
主要内容
一个小内存系统示例 案例研究: Core i7/Linux 内存系统 内存映射
21
内存映射
4KB 对齐) XD: 能/不能从这个PTE可访问的所有页中取指令.
P=0
对照书 p578
15
Core i7 第 4 级页表条目格式
63 62
52 51
XD 未使用
页表物理基地址
12 11
98 7 6 5 4 3 2 1 0
未使用 G
D A CD WT U/S R/W P=1
OS可用 (磁盘上的页表位置)
0D
1
36 72 F0 1D
6
31
0
–
–
–
–
7
16
1
11 C2 DF 03
PPO
Idx Tag Valid B0 B1 B2 B3
8
24
1
3A 00 51 89
9
2D
0
–
–
–
–
A
2D
1
93 15 DA 3B
B
0B
0
–
–
–
–
C
12
0
–
–
–
–
D
16
1
04 96 34 15
E
13
1
83 77 1B D3
F
进程 2 的虚拟内存
进程 1 映射了 共享对象
共享对象
23
再看共享对象
进程 1 的虚拟内存
物理内存
进程 2 虚拟内存
进程 2 映射了 同一个共享对 象.
两个进程的虚 拟地址可以是 不同的
共享对象
24
共享对象: 堆栈、数据、堆区、寄存器 私有的写时复制（Copy-on-write）对象
进程 1 的虚拟内存
每个条目引用一个 4KB子页表:
P: 子页表在物理内存中 (1)不在 (0). R/W: 对于所有可访问页，只读或者读写访问权限. U/S: 对于所有可访问页，用户或超级用户 (内核)模式访问权限. WT: 子页表的直写或写回缓存策略. A:引用位 (由MMU 在读或写时设置，由软件清除). D: 修改位 (由MMU 在读和写时设置，由软件清除) Page table physical base address: 子页表的物理基地址的最高40位 (强制页表
14
0
–
–
–
–
7
地址翻译 Example #1
虚拟地址: 0x03D4
TLBT
TLBI
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
00001111010100
VPN
VPO
VPN 0_x_0_F
TLBI _0_x_3 TLBT _0_x_0_3
TLB Hit? _Y_ Page Fault? _N_ PPN: 0_x_0_D_
CI
5432
1000 PPO
Byte: _M_e_m_
CO
10
00
9
地址翻译 Example #3
虚拟地址: 0x0020
TLBT
TLBI
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
00000000100000
VPN
VPO
VPN 0_x_0_0
TLBI __0_ TLBT _0_x_0_0
每个条目引用一个 4KB子页表:
P: 子页表在物理内存中 (1)不在 (0). R/W: 对于所有可访问页，只读或者读写访问权限. U/S: 对于所有可访问页，用户或超级用户 (内核)模式访问权限. WT: 子页表的直写或写回缓存策略. A: 引用位 (由MMU 在读或写时设置，由软件清除). PS: 页大小为4 KB 或 4 MB (只对第一层PTE定义). Page table physical base address: 子页表的物理基地址的最高40位 (强制页表
TLB Hit? _N_ Page Fault? _N_ PPN: 0_x_2_8_
物理地址
CO__0_
CT
11 10 9 8
1010 PPN
CI_0_x_8 CT _0_x2__8
76
00
Hit? _N_
CI
5432
1000 PPO
Byte: _M_e_m_
CO
10
00
10
主要内容
一个小内存系统示例 案例研究: Core i7/Linux 内存系统 内存映射
虚拟地址组成部分
▪ TLBI: TLB索引 ▪ TLBT: TLB 标记 ▪ VPO: 虚拟页面偏移量（字节） ▪ VPN: 虚拟页号
物理地址组成部分
▪ PPO:物理页面偏移量 (same as VPO) ▪ PPN:物理页号 ▪ CO: 缓冲块内的字节偏移量 ▪ CI: Cache 索引 ▪ CT: Cache 标记
3
一个小内存系统示例
地址假设
▪ 14位虚拟地址（n=14） ▪ 12位物理地址（m = 12） ▪ 页面大小64字节（P = 64）
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
VPN 虚拟页号
VPO 虚拟页偏移
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
PPN 物理页号
PPO 物理页偏移
4KB 对齐) XD: 能/不能从这个PTE可访问的所有页中取指令.
P=0
对照书 p578
16
Core i7 页表翻译
9
VPN 1
9
VPN 2
9
VPN 3
9
VPN 4
12
虚拟地址
VPO
CR3
40 /
L1 PT的
物理地址
L1 PT 页全局目录
L2 PT 页上层目录
L3 PT 页中层目录
40 /
40 /
40 /
L4 PT 页表
L1 PTE
L2 PTE
L3 PTE
L4 PTE