操作系统原理学习笔记（二十一）-对换

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对换(Swapping)的概念

• 单用户分时系统中的对换：
  • 为了实现分时运行多个用户程序而引入。
  • 将用户作业存放于磁盘，每次调入一个作业进入内存，时间片用完后，将其调至外存后备队列，将后备队列中另一个作业调入内存。
  • 现在很少使用。
• 多道程序环境下的对换：
  • 为了解决资源浪费，将内存中被阻塞进程，或不用的数据调入外存，再将具备运行条件的进程装入内存。
• Unix系统中的对换：
  • 设置一个对换进程，由其进行对换操作。
• Windows系统中的对换：
  • 进程在装入内存时，若内存空间不足，则将其与老进程对换。

对换的类型

• 整体对换/进程对换：
  • 以进程作为对换单位。
  • 处理机中级调度就是存储器的对换功能。
  • 用于多道程序系统中，并作为处理机的中级调度。
• 页面对换/分段对换/部分对换：
  • 以页面/分段作为对换单位。
  • 页面对换与分段对换统称为部分对换。
  • 是请求分页与请求分段式存储管理的基础。

对换空间的管理

• 对换空间管理的主要目标
  • 对文件区管理的主要目标：
    • 优先提高存储空间利用率，后提高对文件访问速度。
    • 采用离散分配方式
  • 对对换空间管理的主要目标：
    • 优先提高进程交换速度，后提高文件存储空间利用率。
    • 采用连续分配方式。
• 对换区空闲盘块管理中的数据结构
  • 与动态分区分配相似，可以使用空闲分区表与空闲分区链。
  • 空闲分区表中，包含：
    • 对换区首地址-盘块号。
    • 对换区大小-盘块数。
• 对换空间的分配与回收
  • 分配方式与动态分区方式相似，可用如下算法：
    • 首次适应算法。
    • 循环首次适应算法。
    • 最佳适应算法。
  • 回收方式与回收内存方式一样，对以下四种情况进行处理：
    • 前有空闲分区。
    • 后有空闲分区。
    • 前后有空闲分区。
    • 前后无空闲分区。

进程的换入与换出

• 进程的换出：
  • 选择被换出的进程：
    • 检查内存中进程，优先选择阻塞/睡眠状态的进程，再选择其中优先级最低的进程作为换出进程。
    • 无阻塞进程时，选择其中优先级最低的进程。
    • 为了防止低优先级进程频繁出入，进程的驻留时间也应纳入考虑。
  • 进程换出过程：
    • 只能换出非共享的程序与数据段。
    • 换出时，先申请对换空间，成功后，启动磁盘，将待兑换数据传入磁盘对换区中。
    • 传送成功，无出错后，回收进程所占用内存空间，并修改相应数据结构。
    • 若换出进程后，依然有阻塞/睡眠进程，则继续换出。
• 进程的换入：
  • 定时执行换入操作：
    • 查看PCB集合中所有进程状态，找出“就绪”且已换出的进程。
    • 数量足够多时，选择其中驻留时间足够，且驻留最久的进程作为换入内存。
    • 若换入失败，则先将内存中进程换出，再进行换入。
    • 若换入成功后，还有可换入进程，则继续换入，直到无“就绪”且已换出进程，或无足够内存为止。
  • 常用的对换方案：
    • 在进程运行时经常缺页且内存紧张，才启动对换程序。
    • 若缺页率减少，系统吞吐量下降，则暂停对换程序。