大学计算机操作系统第8章 虚拟内存
虚拟内存名词解释
虚拟内存名词解释
虚拟内存是指操作系统将计算机硬盘空间用作内存扩展的一种技术。
在操作系统中，每个应用程序都有自己的内存空间，但是这个空间是有限制的。
虚拟内存通过将硬盘空间作为辅助内存，可以使应用程序能够访问更大的内存空间。
当应用程序需要更多的内存时，虚拟内存会将一部分已经不使用的内存数据移动到硬盘上，以便为应用程序腾出更多的内存空间。
虚拟内存的实现需要利用一些技术，如地址映射、分页机制等。
虚拟内存的优点是可以提高计算机的性能和稳定性，缺点是需要占用硬盘空间，可能会影响系统的响应速度。
- 1 -。
操作系统--精髓与设计原理（第八版）第八章复习题答案
操作系统--精髓与设计原理（第⼋版）第⼋章复习题答案8.操作系统--精髓与设计原理（第⼋版）第⼋章复习题答案8.1 简单分页与虚拟内存分页有何区别?进程运⾏时，简单分页的所有页必须都在内存中，除⾮使⽤了覆盖技术，虚存分页并⾮所有页都须在内存页框中，仅在需要时才读⼊页，把⼀页读⼊内存可能需要把另⼀页写出到磁盘。
8.2 什么是抖动?当操作系统读取⼀块内存时，它必须把另⼀块换出。
如果⼀块正好在将要⽤到之前换出，操作系统就不得不很快地把它取回。
这类操作通常会导致⼀种称为系统抖动( thrashing)的情况。
这样会使处理器的⼤部分时间都⽤于交换块⽽⾮执⾏指令。
8.3 为何在使⽤虚拟内存时，局部性原理⾄关重要?局部性原理描述了⼀个进程中程序和数据引⽤的集簇倾向。
因此，假设在很短的时间内仅需要进程的⼀部分块是合理的。
同时，还可以对将来可能会访问的块进⾏猜测，从⽽避免系统抖动。
局部性原理表明虚拟内存⽅案是可⾏的。
8.4 哪些元素是页表项中能找到的典型元素?简单定义每个元素。
页号: 虚拟地址的页号部分。
进程标志符:使⽤该页的进程。
页号和进程标志符共同标志-个特定进程的虚拟地址空间的⼀页。
控制位: 该域包含⼀些标记，⽐如有效、访问和修改，以及保护和锁定信息。
链指针: 若某项没有链项，则该域为空(或⽤⼀个单独的位来表⽰)。
否则，该域包含链中下⼀项的索引值(0~2^m -1之间的数字)。
8.5 转换检测缓冲区的⽬的是什么?原则上，每次虚存访问都可能会引起两次物理内存访问：⼀次取相应的页表项，另⼀次取需要的数据。
因此，简单的虚拟内存⽅案会导致内存访问时间加倍。
为克服这个问题，⼤多数虚拟内存⽅案都为页表项使⽤了⼀个特殊的⾼速缓存，通常称为转换检测缓冲区(TranslationLookaside Buffer, TLB)。
8.6 简单定义两种可供选择的页⾯读取策略。
请求分页，只有当访问到某页中的⼀个单元时才将该页取⼊内存。
虚拟内存_面试题目(3篇)
第1篇第一部分：基础知识1. 虚拟内存的定义- 请简述虚拟内存的定义及其在计算机系统中的作用。
2. 虚拟地址与物理地址- 解释虚拟地址和物理地址之间的区别，并说明它们在计算机内存管理中的重要性。
3. 虚拟内存的层次结构- 描述虚拟内存的层次结构，包括寄存器、高速缓存、主存和磁盘，并说明每一层次的作用。
4. 分页与分段- 解释分页和分段的内存管理技术，以及它们各自的优势和适用场景。
5. 页表与段表- 描述页表和段表在虚拟内存管理中的作用，以及它们如何帮助实现虚拟地址到物理地址的映射。
6. 地址变换机构- 解释地址变换机构的工作原理，包括快表和慢表的区别。
7. 内存保护- 解释虚拟内存如何提供内存保护，以防止程序访问或修改不应该访问的内存区域。
第二部分：原理与实现8. 虚拟内存的用途- 详细说明虚拟内存的主要用途，包括为什么需要虚拟内存。
9. 虚拟内存的必要性- 分析在多进程环境中，为什么必须使用虚拟内存。
10. 虚拟内存的局限性- 讨论虚拟内存的局限性，例如性能开销和内存碎片问题。
11. 页面置换算法- 描述几种常见的页面置换算法，如FIFO、LRU、LFU等，并分析它们的优缺点。
12. 内存分配策略- 讨论虚拟内存中的内存分配策略，包括固定分配和动态分配。
13. 内存交换与交换空间- 解释内存交换的概念，以及交换空间在虚拟内存中的作用。
14. 内存映射文件- 描述内存映射文件的工作原理，以及它在虚拟内存中的应用。
15. 虚拟内存与缓存- 分析虚拟内存与缓存之间的关系，以及它们如何协同工作。
第三部分：操作系统级实现16. 虚拟内存与操作系统的关系- 解释虚拟内存如何与操作系统紧密相连，并说明操作系统在虚拟内存管理中的作用。
17. 页表的管理- 讨论操作系统如何管理页表，包括页表的创建、更新和回收。
18. 内存分配与回收- 描述操作系统如何分配和回收虚拟内存，以及相应的数据结构和算法。
19. 虚拟内存与系统调用- 解释虚拟内存如何通过系统调用来与应用程序交互。
《计算机操作系统》虚拟存储管理
7.2 请求分页存储管理
7.2.1 工作原理 7.2.2 驻留集管理 7.2.3 调页策略 7.2.4 页面置换算法
7.2.1工作原理
♦ 若内存中没有可用的物理块，则还需根据页面置 换算法淘汰一些页，若淘汰的页曾做过改动，还 需将此页重写回外存，最后将缺页调入内存指定 的物理块。
开始
根据页表记录的外 存始址找到缺页
内存有可用 Y 物理块吗?
N 由页面置换算法选
择一页换出 Y
N 该页被改动 过吗？ Y
将该页写回外存
启动磁盘I/O，从外 存读入缺页
►显然，一方面，内存中存在一些不用或暂时不用的程序占据了大量的内存 空间；另一方面，一些需要运行的程序因没有足够的内存空间而无法装入 内存运行。
►人们不禁考虑，“一次性”和“驻留性”在程序运行时是否是必要的？
7.1.1 引入背景
2.局部性原理
►程序在执行时，在一段时间内，CPU总是集中地访问程序中的某一个部分 而不是随机地对程序所有部分具有平均访问概率，这种现象称为局部性原 理。局部性表现在下述两个方面：
7.2.3 调页策略
►调页策略用于确定何时将进程所需的页调入内存。常用的调页策略有： ♦ 预调页策略 ● 系统预测进程接下来要访问的页，将一个或多个页提前调入内存。 ● 常用的预测原理是局部性原理，即每次调页时，将相邻的若干个页 一并调入内存。 ♦ 请求调页策略 ● 发生缺页时，再将其调入内存的方法。 ● 实现简单，增加磁盘I/O开销。
♦ 状态位：用于表示该页是否已调入内存。若没有调入内存，则产生一个 缺页中断。
电子科技大学《计算机操作系统》作业考核试题及答案参考
电子科技大学《计算机操作系统》作业考核试题及答案参考第一部分：选择题1. 什么是操作系统？操作系统是计算机系统的一个重要组成部分，它是一种管理计算机硬件和软件资源的系统软件，为用户提供一个操作计算机的环境。
2. 操作系统的主要功能是什么？操作系统的主要功能包括进程管理、文件管理、内存管理、设备管理和网络管理。
3. 进程是指什么？进程是指计算机中正在执行的程序的实例。
每个进程都有自己的内存空间、寄存器和其他系统资源，它们可以并行或交替执行。
4. 什么是进程调度算法？进程调度算法是操作系统使用的一种策略，用于决定哪个进程应当被调度并占用处理器资源。
常见的调度算法有先来先服务、短作业优先、轮转法等。
5. 文件系统是什么？文件系统是操作系统管理计算机存储设备上文件的一种方式，它可以对文件进行存储、组织、管理和访问。
第二部分：简答题1. 请简要解释操作系统的内存管理功能。
操作系统的内存管理功能包括内存分配、内存保护和内存回收。
内存分配是指根据程序的需要，将可用的内存分配给进程；内存保护是指防止一个进程越界访问其他进程或操作系统的内存；内存回收是指当一个进程退出或者不再需要内存时，将其所占用的内存释放出来，以便其他进程使用。
2. 请简要解释死锁是什么，以及如何避免死锁？死锁是指两个或多个进程因为互相等待对方所持有的资源而无法继续执行的状态。
为避免死锁，可以采取以下措施：破坏死锁产生的四个必要条件（互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件、循环等待条件）之一；使用资源分级、资源有序性等算法进行资源分配；按照固定的顺序申请和释放资源，避免循环等待。
3. 请简要解释虚拟内存的概念及其作用。
虚拟内存是一种操作系统的内存管理技术，它可以将物理内存和磁盘的空间组合起来，提供给进程使用。
虚拟内存的作用是扩大了进程的可用地址空间，允许大于实际物理内存的程序运行；并且能够将不常用的数据或程序部分保存到磁盘上，从而释放出物理内存供其他进程使用。
计算机名词解释大全
计算机名词解虚拟内存：虚拟内存用硬盘空间做内存来弥补计算机RAM空间的缺乏。
当实际RAM满时（实际上，在RAM满之前），虚拟内存就在硬盘上创建了。
当物理内存用完后，虚拟内存管理器选择最近没有用过的，低优先级的内存部分写到交换文件上。
这个过程对应用是隐藏的，应用把虚拟内存和实际内存看作是一样的。
每个运行在WindowsNT下的应用被分配到4GB的属于自己的虚拟地址空间（2GB给应用，2GB给操作系统）。
使用虚拟内存存在这样的问题，那就是读写硬盘的速度大大慢于读写实际RAM的速度。
这就是当NT系统在没有足够的内存时程序运行慢的原因。
OEM(originaequipment manufacturer 原始设备制造商：某个厂商自己开发了某种产品，如果发现别的厂商生产这种产品或生产此产品的配件比自己生产的成本低，就委托这些厂商代为生产，然后增值后以新的商标出售。
这种变独家生产为协作生产的做法最早在日本企业中得到应用。
我们见到的有 Windows OEM 版等产品。
对等网：与其他网络形式相比，它的优点在哪里? 它在什么时候最适用呢?。
如果您使用过直接电缆连接，您一定会有所感受：它只是一种通讯手段。
每次只能让一方访问另外一方，具体地说就是只能客户机访问主机。
要使主机能访问客户机，必须重新设置直接电缆连接，使主/客位置换过来才能达到目的。
显然，这只是一种临时使用的通讯手段，并非长远之策；对等网相对直接电缆连接就高级了一些，它不但方便连接两台以上的电脑，而且更关键的是它们之间的关系是对等的，连接后双方可以互相访问，没有主客阶级差异；然而，对等网仍然不能共享可执行程序，只有上升到客户/服务器结构的局域网，才能共享服务器上的可执行程序。
当然，那样的网络需要牺牲一台高性能的电脑作为网络中的服务器让大家共享，这台电脑不能让任何人用作个人应用目的，而且需要一个专人(网络系统管理员)来维护它，成本(人力、资金)就会大大增加。
操作系统精髓与设计原理-第8章复习题及习题解答
虚拟内存8.1 简单分页与虚拟分页有什么区别？简单分页：一个程序中的所有的页都必须在主存储器中程序才能正常运行，除非使用覆盖技术。
虚拟内存分页：不是程序的每一页都必须在主存储器的帧中来使程序运行，页在需要的时候进行读取。
8.2 解释什么是抖动。
虚拟内存结构的震动现象，在这个过程中处理器大部分的时间都用于交换块，而不是执行指令。
8.3 为什么在使用虚拟内存时，局部性原理是至关重要的？可以根据局部性原理设计算法来避免抖动。
总的来说，局部性原理允许算法预测哪一个当前页在最近的未来是最少可能被使用的，并由此就决定候选的替换出的页。
8.4 哪些元素是页表项中可以找到的元素？简单定义每个元素。
帧号：用来表示主存中的页来按顺序排列的号码。
存在位（P）：表示这一页是否当前在主存中。
修改位（M）：表示这一页在放进主存后是否被修改过。
8.5 转移后备缓冲器的目的是什么？转移后备缓冲器（TLB）是一个包含最近经常被使用过的页表项的高速缓冲存储器。
它的目的是为了减少从磁盘中恢复一个页表项所需的时间。
8.6 简单定义两种可供选择的页读取策略。
在请求式分页中，只有当访问到某页中的一个单元时才将该页取入主存。
在预约式分页中，读取的并不是页错误请求的页。
8.7 驻留集管理和页替换策略有什么区别？驻留集管理主要关注以下两个问题：（1）给每个活动进程分配多少个页帧。
（2）被考虑替换的页集是仅限在引起页错误的进程的驻留集中选择还是在主存中所有的页帧中选择。
页替换策略关注的是以下问题：在考虑的页集中，哪一个特殊的页应该被选择替换。
8.8 FIFO和Clock页替换算法有什么区别？时钟算法与FIFO算法很接近，除了在时钟算法中，任何一个使用位为一的页被忽略。
8.9 页缓冲实现的是什么？（1）被替换出驻留集的页不久又被访问到时，仍在主存中，减少了一次磁盘读写。
（2）被修改的页以簇的方式被写回，而不是一次只写一个，这就大大减少了I/O操作的数目，从而减少了磁盘访问的时间。
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)第四版计算机操作系统课后答案第一章1. 操作系统的定义操作系统是一种软件，它管理着计算机系统的硬件和软件资源，并为用户和应用程序提供接口，以方便他们的使用。
2. 操作系统的功能操作系统具有以下功能：- 进程管理：负责创建、执行和终止进程，并管理它们的资源分配。
- 存储管理：管理计算机系统的内存资源，包括内存分配、虚拟内存和页面置换等。
- 文件系统管理：管理计算机系统中的文件和文件夹，包括文件的存储、读写和保护等。
- 设备管理：负责管理计算机系统中的各种设备，如打印机、键盘和鼠标等。
- 用户接口：提供用户与计算机系统进行交互的接口，如命令行界面和图形用户界面。
3. 操作系统的类型操作系统可以分为以下类型：- 批处理操作系统：按照一系列预先定义的指令集来运行任务。
- 分时操作系统：多个用户可以同时使用计算机系统。
- 实时操作系统：对任务的响应时间要求非常高，用于控制系统和嵌入式系统。
- 网络操作系统：支持多台计算机之间的通信和资源共享。
- 分布式操作系统：在多台计算机上分布式地管理和调度任务。
第二章1. 进程与线程的区别进程是计算机系统中正在运行的程序实例，而线程是进程内的一个执行单元。
进程拥有独立的地址空间和资源，而线程共享进程的地址空间和资源。
多个线程可以在同一进程内并发执行，从而提高系统的效率和资源利用率。
2. 进程的状态转换进程可以处于以下状态：- 创建状态：进程正在被创建。
- 就绪状态：进程准备好执行，等待分配CPU资源。
- 运行状态：进程占用CPU资源执行。
- 阻塞状态：进程等待某种事件发生。
- 终止状态：进程完成执行或被终止。
3. 进程调度算法操作系统使用进程调度算法来决定哪个进程应该被执行。
常见的调度算法有：- 先来先服务（FCFS）调度算法：按照进程到达的顺序进行调度。
- 最短作业优先（SJF）调度算法：选择运行时间最短的进程进行调度。
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置换 F F F R
R
RRRR
R
R
R
缺页率 p=12/20=60%
25
4）时钟Clock
• 以较小的开销接近LRU的性能。
a)简单时钟策略
一个页面首次装入内存，其“引用位”置0 。
主存中的任何页面被访问时, “引用位”置1。
当需要置换一页时,扫描以查找“引用位”为0的 页框。查找过程中，把遇到的“引用位”是1的 页面的“引用位”清0,跳过这个页面，继续查找 。
第8章 虚拟内存
• 主要内容
8.1 硬件和控制结构 8.2 操作系统软件 8.3 UNIX和Solaris内存管理（自学） 8.4 Linux内存管理（自学） 8.5 Windows内存管理（自学）
1
8.1 硬件和控制结构
• 实存储器（实存）：内存 • 虚存储器（虚存）：磁盘
2
8.1.1 局部性和虚拟内存 1、程序的局部性原理
2221 1111333
333 2222244
F F FRRRR
RR
可用帧数3， 9次缺页
帧1 帧2 帧3 帧4 缺页:
12341 2512345
11111 1555544
2222 2211115
333 3332222
44 4444333
F F FF
RRRRRR
可用帧数4， 10次缺页
23
3)最近最少使LRU
划分成许多固定大小的页，页的长度等于内存中的页 框大小。
16
8.2 操作系统软件 8.2.1 读取策略
• 读取策略确定一个页何时取入内存
请求分页 预先分页
8.2.2 放置策略
• 放置策略决定一个进程块驻留在内存中什么地方
17
8.2.3 置换策略
• 当内存中所有页框都被占据，并且需要读取一个 新页以处理一次缺页中断时，置换策略决定当前 在内存中的哪个页将被置换。
• 段表也需要增加一些控制位。
15
8.1.4 段页式
• 分页对程序员是透明的，消除了外部碎片，可以 更有效地使用内存。此外，移入或移出的块是大 小相等的，易于处理。
• 分段对程序员是可见的，具有处理不断增长的数 据结构的能力以及支持共享和保护的能力。
• 把两者结合起来就是段页式存储管理。
内存划分成大小小等的页框。 用户的地址空间被程序员划分成许多段，每个段一次
帧3
11133333333111Biblioteka 1111置换 F F F R
R
R
R
R
R
缺页率 p=9/20=45%
20
2)先进先出FIFO
• 置换驻留在内存中时间最长的页
思想：一个很久以前取入内存的页，到现在可 能已经不会再用到了。
问题：经常出现一部分程序或数据在整个程序 的生命周期中使用频率都很高的情况。
21
27
算法执行过程
1. 从指针当前位置开始,扫描页框缓冲区。扫描过 程中不改变”引用位”，把遇到的第一个 u=0,m=0的页面作为置换页面。
2. 如果步1失败，则重新扫描，查找u=0，m=1的页 面，把遇到的第一个这样的页面作为置换页面 ，而在扫描过程中把指针所扫过的页面的”引 用位”u置0。
3. 如果步2失败，指针再次回到了起始位置，由于 此时所有页面的”引用位”u均己为0，再转向 步1操作，必要时再做步2操作，这次一定可以 挑出一个可置换的页面。
扫描时，如果遇到的所有页面的“引用位”为1
，指针就会绕整个循环队列一圈，把碰到的所有
页面的“引用位”清0;指针停在起始位置，并置
换掉这一页。
26
b)时钟策略改进算法
• 把”引用位”和”修改位”结合起来使用，共组 合成四种情况：
(1)最近未被引用,也未被修改(u=0,m=0) (2)最近被引用,没有被修改(u=1,m=0) (3)最近未被引用,但被修改(u=0,m=1) (4)最近被引用,也被修改(u=1,m=1)
• 在许多情况下不需要将整个程序放到内存中：
处理异常错误条件的代码（几乎不执行） 数组、链表和表通常分配了比实际所需更多的内存 程序的某些选项或特点可能很少使用
• 能够执行只有部分在内存中的程序的好处
程序不再受现有的物理内存空间限制 更多程序可同时执行，CPU利用率相应增加 用户程序会运行的更快
4
虚拟存储管理实现技术
7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
引用串 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
帧1 7 7 7 2 2 2 2 4 4 4 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
帧2
000000003333330 0000
帧3
11133322222222 2777
• 置换内存中上次使用距当前最远的页。
根据程序局部性原理，在较长时间里未被使用 的页面，可能不会马上使用到。
• 性能接近于OPT，但比较难以实现。
为每一页添加一个最后一次访问的时间戳，并 且必须在每次访问内存时，都要更新时间戳。
维护一个关于访问页的栈。 ➢开销很大。
24
LRU例
• 思想：置换过去最长时间没有使用的页 • 例（可用页框数量3）引用串如下：
19
OPT例
• （可用页框数量3）引用串如下：
7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1701
引用串 7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1
帧1 7 7 7 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7 7 7
帧2
000000444000000 0000
32
分配策略
• 固定分配策略
为一个进程在内存中分配固定数目的页框用于执行时 使用。
• 可变分配策略
允许分配给一个进程的页框在该进程的生命周期中不 断地发生变化。
缺页率高，可增加分配的页框； 缺页率很低，可适当减少分配的页框。
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置换范围
• 局部置换策略
仅在产生这次缺页的进程的驻留页中选择
• 全局置换策略
• 指程序在执行过程中的一个较短时间内，所执行 的指令地址或操作数地址分别局限于一定的存储 区域中。又可细分时间局部性和空间局部性。
时间局部性：最近访问过的程序代码和数据很快又被 访问。
空间局部性：某存储单元被使用之后，其相邻的存储 单元也很快被使用。
3
2、虚拟内存
• 虚拟内存（virtual memory）：允许进程的执行 不必完全在内存中，程序可以比物理内存大。
使用分页实现虚存 使用分段实现虚存 使用段页式实现虚存
5
8.1.2 分页
• 分页式虚存不把作业信息(程序和数据)全部装入 主存，仅装入立即使用的页面，在执行过程中访 问到不在主存的页面时，产生缺页中断，再从磁 盘动态地装入 。
• 怎样才能发现页面不在主存中呢?怎样处理这种 情况呢?
采用的办法是：扩充页表的内容,增加驻留标志位和页 面辅存的地址等信息。
，这导致进程驻留集 大小不断变化
35
工作集策略
• 进程工作集指“在某一段时间间隔内进程运行所 需访问的页面集合”。
• W(t,△)
t是虚拟时间 △是观察进程的虚拟时间窗口
36
37
38
工作集策略的优缺点
• 优点：可用于指导驻留集大小
监视每个进程的工作集 周期性地从一个进程的驻留集中移去那些不在它的工
（100＋20）×90%＋(100+100+20)×(1-90%)＝130 ➢ 比两次访问主存的时间100×2＝200下降了三成多
。
12
在辅存
发缺页中断
保护现场 主存有空闲块 有 装入所需页面
调整页表和 主存分配表 恢复现场 重新执行 被中断指令
查页表 无
无登记 在主存
逻辑地址 查快表
登记入快表
有登记
8
9
倒排页表
逻辑地址
进程标识
页号
位移
物理地址
页框号
位移
进程标识 页号 特征位 链指针
哈希
·
·
函数
序号
哈希表
倒排页表
倒排页表及其地址转换
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快表
• 转换检测缓冲区（translation look-aside buffer，TLB）
• TLB与页表一起工作
快表项包含页号及对应的页框号，当把页号交给快表 后，它通过并行匹配同时对所有快表项进行比较。
把内存中所有未被锁定的页都作为置换的候选页，不 管它们属于哪一个进程。
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驻留集管理
局部置换
全局置换
分配给一个进程的页 无此方案 固定分配 框数是固定的
从分配给该进程的页 框中选择被置换的页
分配给一个进程的页 从内存中所有可用页
可变分配 框数可以变化
框中选择被置换的页
从分配给该进程页框 中选择被置换的页
如果找到，立即输出页框号，并形成物理地址； 如果找不到，再查找主存中的页表以形成物理地址，
同时将页号和页框号登记到快表中； 当快表已满且要登记新页时，系统需要淘汰旧的快表
项。
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采用快表的地址转换
➢ 假定访问主存时间为100毫微秒，访问快表时间为 20毫微秒，相联存储器为32个单元时快表命中率 可达90%，按逻辑地址存取的平均时间为：
• 目标：移出最近最不可能访问的页。 • 方法：基于过去的行为预测将来的行为。 • 基本算法
最佳OPT 最近最少使用LRU 先进先出FIFO 时钟Clock
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1)最佳OPT
• 选择置换下次访问距当前时间最长的那些 页。
该算法能导致最少的缺页中断，但它要求操作 系统必须知道将来的事件，所以不可能实现， 可作为一种标准来衡量其它算法的性能。