【正文】 舉例：在 LRU置換算法中引用串為： 6 0 1 2 0 3 0 5 2 3 0 3 2 1 2 0 1 1 6 0 1，為進(jìn)程分配三個(gè)內(nèi)存物理塊。 35 頁面置換 ? 虛擬存儲(chǔ)管理的一個(gè)設(shè)計(jì)問題是： – 需要一個(gè)空閑頁面時(shí)選擇哪個(gè)頁面來進(jìn)行替換 ? 目標(biāo)：減少缺頁中斷的次數(shù)，即減少 缺頁率 – 舉例：如果一個(gè)進(jìn)程或一個(gè)作業(yè)在運(yùn)行中成功的訪問次數(shù)為 S，即所訪問的頁面在內(nèi)存中；不成功的訪問次數(shù)為 F，即訪問的頁面需要缺頁中斷并且需要調(diào)入內(nèi)存；運(yùn)行需要訪問的頁面的總次數(shù)為 A： A = S + F 則缺頁率 f為： f = F / A 36 ? 進(jìn)程的內(nèi)存物理塊數(shù) 進(jìn)程分得的內(nèi)存物理塊數(shù)越多，缺頁率越低。 – 首先為系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程分配一定數(shù)目的物理塊， OS系統(tǒng)自身也保持一個(gè)空閑物理塊隊(duì)列。因此，在內(nèi)存物理塊分配中有一個(gè)基本的界限，即最小物理塊數(shù)。 ? 進(jìn)程平均分配法 – 在內(nèi)存物理塊的分配上，早期采用的是各進(jìn)程機(jī)會(huì)均等進(jìn)行分配的方法，即進(jìn)程平均分配法。 25 請求分頁存儲(chǔ)管理 – 缺點(diǎn)： – 在進(jìn)程初次執(zhí)行時(shí)，開始會(huì)有大部分的頁面調(diào)入內(nèi)存，這時(shí)的進(jìn)程切換開銷很大。 如果查詢頁表而沒有得到該頁的內(nèi)存塊號 ，即表示該頁不在內(nèi)存， 產(chǎn)生一缺頁中斷信號 ，請求操作系統(tǒng)將該頁面調(diào)入內(nèi)存。因此， CPU檢測缺頁中斷更及時(shí)。如果頁面在內(nèi)存中已經(jīng)被修改過了，被換出內(nèi)存時(shí)需要寫入外存。 虛擬存儲(chǔ)管理首先將需要運(yùn)行的作業(yè)放在外存。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可尋址范圍為虛擬存儲(chǔ)器的最大范圍。 虛擬存儲(chǔ)器概念 5 （ 3）多次性 雖然程序中可能包含許多循環(huán)結(jié)構(gòu)，但是這些循環(huán)結(jié)構(gòu)通常只由少數(shù)指令構(gòu)成。 ? 如果將這些不使用的信息存放在物理內(nèi)存中，對內(nèi)存是一種浪費(fèi)。 ? 如果一個(gè)作業(yè)信息大于內(nèi)存容量，則無法裝入內(nèi)存，也無法運(yùn)行；如果系統(tǒng)有大量的作業(yè)申請進(jìn)入內(nèi)存，則系統(tǒng)只能接納相當(dāng)有限的作業(yè)，系統(tǒng)的多道度和性能都難以得到提高。對大程序沒有必要把所有的信息一次都放入內(nèi)存。 虛擬存儲(chǔ)管理的組織 虛擬存儲(chǔ)器概念 7 ? 在虛擬存儲(chǔ)器中，一般將硬盤作為外存，因此，硬盤也被稱為對換設(shè)備。 ? 虛擬性 虛擬存儲(chǔ)器從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，使得用戶能夠使用的內(nèi)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際內(nèi)存容量，提高了系統(tǒng)運(yùn)行程序的能力。當(dāng)需要將某頁面調(diào)入內(nèi)存時(shí)，查詢頁表中的外存地址，通常是物理塊號。 – 缺頁中斷與一般中斷一樣，都需要經(jīng)歷保護(hù) CPU環(huán)境、分析中斷原因、轉(zhuǎn)入中斷程序處理、中斷處理后恢復(fù) CPU環(huán)境等步驟。這樣，在程序運(yùn)行過程中完成 邏輯地址到內(nèi)存物理地址的變換，是動(dòng)態(tài)重定位裝入 。 ? 內(nèi)存置換策略 – 內(nèi)存置換策略用于決定內(nèi)存中的哪些頁面被換出內(nèi)存。如果預(yù)先動(dòng)態(tài)估計(jì)準(zhǔn)確率高，該調(diào)入策略會(huì)大大提高系統(tǒng)效率。 對內(nèi)存物理塊分配 還要考慮系統(tǒng)的多道度情況 。但是如果內(nèi)存沒有空閑空間提供時(shí)，則系統(tǒng)需要先從內(nèi)存中選擇頁面換出內(nèi)存后，再將需要的頁面換入內(nèi)存。 34 請求分頁存儲(chǔ)管理 ? 可變分配局部置換 – 根據(jù)進(jìn)程類型，或程序員的建議，開始為每個(gè)進(jìn)程分配一定數(shù)目的物理塊。 如下圖所示。 ? 抖動(dòng)：由于缺頁而引起的一種系統(tǒng)現(xiàn)象，即處理器頻繁地處理頁面的換出和調(diào)入，使得處理器實(shí)際處理程序的能力大大減小。 頁面調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響分析 61 ? 在實(shí)際應(yīng)用中， 缺頁不只使得缺頁的進(jìn)程運(yùn)行減慢，還會(huì)影響其他進(jìn)程的運(yùn)行 。頁面換出時(shí)，如果被修改過，則需要寫入對換區(qū)；否則不需要寫入對換區(qū)。如果用A表示用戶作業(yè)的平均長度（單位為字節(jié)）， L為頁面長度（單位為字節(jié)）， n為頁表項(xiàng)所需要的字節(jié)數(shù)，每個(gè)作業(yè)的頁表占用的字節(jié)數(shù)為 nA/L。 如果程序員在編程時(shí)考慮了可能引起的缺頁中斷，并使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)盡量少地產(chǎn)生缺頁中斷，則會(huì)提高系統(tǒng)的性能。 Intel Pentium CPU提供三種工作模式 ：實(shí)地址模式（ real mode）、虛地址模式（又稱為保護(hù)模式， protection mode）和虛擬模式（ virtual mode）。 Windows系統(tǒng)虛擬存儲(chǔ)器地址布局 基于分頁管理的 Windows 2023/XP 76 ? 系統(tǒng)區(qū)又分為固定頁面區(qū)、頁交換區(qū)和操作系統(tǒng)駐留區(qū)。分頁管理中采用了二級頁表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的邏輯地址到物理地址的變換，如下圖所示。用戶進(jìn)程最多可以占用 512個(gè)頁表項(xiàng)。如果以上任一情況中零頁鏈表和空閑表均為空，那么使用后備鏈表。 Windows 2023/XP系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn) 84 ? 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的工作集降到最小后，如果該進(jìn)程再發(fā)生缺頁中斷，并且內(nèi)存并不滿，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加該進(jìn)程的工作集尺寸。 Windows 2023/XP系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)改變生活 87 演講完畢，謝謝觀看！ 。如果有足夠內(nèi)存可用，系統(tǒng)允許一個(gè)進(jìn)程的工作集超過它的最大工作集尺寸。當(dāng)一個(gè)線程發(fā)生缺頁時(shí)，內(nèi)存管理器引發(fā)中斷的頁面及后繼的少量頁面一起裝入內(nèi)存。 ?因此， 通過查詢頁表得到邏輯地址中的頁面號對應(yīng)的物理塊號，最后物理塊號與頁內(nèi)偏移一起構(gòu)成物理地址。每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的頁目錄。 另外，在操作系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，也可以選擇另一種地址分配方式： 3GB用戶程序區(qū)和 1GB操作系統(tǒng)區(qū)。 DOS操作系統(tǒng)采用這種模式。 ? 請求分段的硬件支持 – 段表機(jī)制 – 缺段中斷機(jī)制 – 地址變換機(jī)構(gòu) 68 請求分段存儲(chǔ)管理方式 ? 段表機(jī)制 段名 段長 段基址 存取方式 訪問字段 A 修改位 M 存在位 P 增補(bǔ)位 外存地址 ? 存取方式：標(biāo)識段存取屬性 ? 訪問字段：段是否被訪問 ? 修改位：段進(jìn)入內(nèi)存后是否被修改過 ? 存在位：段是否在內(nèi)存 ? 增補(bǔ)位： 請求分段系統(tǒng)的特有字段 ，標(biāo)識在運(yùn)行過程中是否有過動(dòng)態(tài)增長 ? 外存地址：段在外存的起始地址 69 請求分段存儲(chǔ)管理方式 ? 缺段中斷機(jī)構(gòu) 70 請求分段存儲(chǔ)管理方式 ? 地址變化機(jī)構(gòu) 否 否 否 是 是 是 71 請求分段存儲(chǔ)管理方式 ? 分段的共享和保護(hù) – 共享段表 → 共享進(jìn)程計(jì)數(shù) → 存取控制字段 → 段號：不同的進(jìn)程可以使用不同的段號去共享段 段名 段長 內(nèi)存地址 狀態(tài) 外存地址 共享進(jìn)程計(jì)數(shù) 狀態(tài) 進(jìn)程名 進(jìn)程號 段號 存取控制 72 請求分段存儲(chǔ)管理方式 ? 分段的共享和保護(hù) – 共享段的分配與回收 → 分配： 第一次訪問：分配內(nèi)存，（ 1）增加共享段表；（ 2）修改進(jìn)程段表。 通常情況下，頁表項(xiàng)所需要的字節(jié)數(shù)為常數(shù)，如為 8或 4，頁面大小 L與用戶作業(yè)的平均長度成非線性增長關(guān)系。 頁面調(diào)度對系統(tǒng)性能的影響分析 63 3．頁面大小對系統(tǒng)性能的影響 頁面大小對性能的影響可以從以下幾個(gè)方面分析。 可見，缺頁不只使得缺頁進(jìn)程本身的運(yùn)行減慢，還使得整