操作系统原理学习笔记（二十五）-请求分页存储管理方式

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请求分页中的硬件支持

• 请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式。
• 为了实现请求分页，计算机系统除了要求内存与外存外，还需要请求页表机制，缺页中断机构，地址变换机构。
• 请求页表机制：
  • 请求分页系统中主要的数据结构是请求页表。
    • 基本功能是将逻辑地址映射成物理地址，为了满足换入换出要求，还增加了四个字段。
  • 状态位P（存在位）：指示是否调入内存。
  • 访问字段A：记录一段时间内被访问次数，或多久未被访问。
  • 修改位M：标识调入内存后是否被修改过。
  • 外存地址：指出其外存地址。
• 缺页中断机构：
  • 请求分页系统中，待访问的页面不在内存时，产生缺页中断，请求OS将所缺页调入内存。
  • 缺页中断作为中断，同样需要保护CPU环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理、在中断处理完成后再恢复CPU环境等步骤。
  • 但缺页中断与一般中断相比有两个明显区别：
    • 在指令执行期间产生和处理中断信号。
    • 一条指令期间可能产生多次中断。
    • 注：一般中断，出现于指令结束后，才会被检查到。
• 地址变换机构：
  • 变换过程：
    1. 检索快表，找到了页。
       1. 修改页表项的访问位。
       2. 若是写操作，则修改“修改位置”为1，表示已被修改。
       3. 利用页表项中给出的物理块号和页内地址形成物理地址。
    2. 快表中无该页，在内存中检索，并找到了页。
       1. 从状态位P了解是否调入内存，若调入，则将其加入快表。
       2. 快表满时，根据算法调出部分页。
    3. 内存中未找到页，产生缺页中断，请求OS将该页从外存调入内存。

请求分页中的内存分配

• 最小物理块数：
  • 保证进程正常运行所需的最小物理块数。
  • 取决于计算机硬件结构、指令格式、功能、寻址方式。
  • 对于单地址指令：
    • 采用直接寻址，最小物理块数为2.
    • 一块用于存放指令，一块用于存放数据。
  • 间接寻址：
    • 至少三个物理块、
  • 功能较强的机器：
    • 指令长度可能多两个字节，及可能跨两个页面。
    • 至少六个物理块。
• 内存分配策略：
  • 固定分配局部置换(Fixed Allocation, Local Replacement)
    • 固定分配：为进程分配固定数目物理块。
    • 局部置换：将进程已分配的物理块中，换出一页，再调入一页。
  • 可变分配全局置换(Variable Allocation, Global Replacement)
    • 可变分配：为进程分配一定数目物理块，进程运行期间，根据情况适当增减。
    • 全局置换：将OS中空闲物理块分配给该页，或如从所有进程的物理块中换出调入。
      • 空闲物理块用完时，才从内存中的进程调出。
  • 可变分配局部置换（Variable Allocation, Local Replacement）
• 物理块分配算法：
  • 平均分配算法。
  • 按比例分配算法：按进程大小的比例分配。
  • 考虑优先权的分配算法。

页面调入策略

• 何时调入页面：
  • 预调页策略：
    • 调入预测中会在不久后访问到的页面。
    • 目前成功率仅约50%。
  • 请求调页策略：
    • 仅调入被请求的页面。
• 从何处调入页面：
  • 拥有足够对换区空间：
    • 全部从对换区调入所需页面。
  • 系统缺少足够的对换区空间：
    • 不会被修改的文件从文件区调入。
    • 可能被修改的文件调到对换区。
  • UNIX方式：
    • 未运行过的页面从文件区调入。
    • 运行过但被换出的页面放在对换区。
    • 部分共享的页面不需要调入，它们已被其他进程调入内存。
• 页面调入过程：
  • 所访问页面不在内存（存在位为0），发出缺页中断。
  • 中断处理程序保留CPU环境，分析中断原因，转入缺页中断处理程序。
  • 缺页中断处理程序查找页表，得到该页在外存的物理块。
  • 若内存能容纳新页：
    • 则启动磁盘I/O，该页调入内存，修改页表。
  • 若内存已满：
    • 根据置换算法从内存中选取一页准备换出。
    • 待换出的页未修改过（修改位为0），不必写回磁盘，否则写回磁盘。
    • 调入所缺页，修改页表，存在位设置1，将该页写入快表。
  • 缺页调入内存后，根据页表生成访问待访问数据的物理地址，再访问内存数据。
• 缺页率：
  • 缺页率为：F/(S+F)
    • 访问成功的次数为S。
    • 缺页的次数为F。
  • 受几个因素影响：
    • 页面大小：页面大，缺页率低。
    • 进程所分配物理块的数目：数目多，缺页率低。
    • 页面置换算法。
    • 程序固有特性。
  • 缺页中断处理时间：p*a + (1-p)*b
    • 被调出的页面被修改的概率为p。
    • 处理被修改的缺页中断处理时间为a。
    • 处理未被修改的缺页中断处理时间为b。