第46章操作系统课程.ppt

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1、4.6 4.6 虚拟存储器虚拟存储器1 1 虚拟存储器概述虚拟存储器概述2 2 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式3 3 页面置换算法页面置换算法4“4“抖动抖动”与工作集与工作集5 5 请求分段存储管理方式请求分段存储管理方式4.64.6虚拟存储器虚拟存储器1 1 虚拟存储器概述虚拟存储器概述1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理 1.1.常规存储器管理方式的特征常规存储器管理方式的特征 一次性一次性，是指作业必须一次性地全部装入内存，是指作业必须一次性地全部装入内存后，方能开始运行。这一特征导致了下述两种情况的后，方能开始运行。这一特征导致了下述两种情况的发生：发生：当作业很大时

2、，它所要求的内存空间超过了内当作业很大时，它所要求的内存空间超过了内存总容量，无法将全部作业装入内存，致使该作业无存总容量，无法将全部作业装入内存，致使该作业无法运行；法运行；当有大量作业要求运行的情况下，由于每一个当有大量作业要求运行的情况下，由于每一个作业都需要全部装入内存后方能运行，所以每次只能作业都需要全部装入内存后方能运行，所以每次只能装入少量的作业，导致多道程序度的下降。装入少量的作业，导致多道程序度的下降。驻留性驻留性，是指作业被装入内存后，整个作业都，是指作业被装入内存后，整个作业都一直驻留在内存中，其中任何部分都不会被换出，直一直驻留在内存中，其中任何部分都不会被换出，直至作

3、业运行结束。至作业运行结束。2.2.局部性原理局部性原理 程序执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，在大多数情程序执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，在大多数情况下是顺序执行的。况下是顺序执行的。过程调用将会使程序的执行轨迹，由一部分区域转至另一部分区过程调用将会使程序的执行轨迹，由一部分区域转至另一部分区域。即程序将会在一段时间内，都局限在这些过程的范围内运行。域。即程序将会在一段时间内，都局限在这些过程的范围内运行。程序中存在许多循环结构，这些虽然只由少数指令构成，但是它程序中存在许多循环结构，这些虽然只由少数指令构成，但是它们将多次执行。们将多次执行。程序中还包括许多对数据结构

4、的处理，如对数组进行操作，它们程序中还包括许多对数据结构的处理，如对数组进行操作，它们往往都局限于很小的范围内。往往都局限于很小的范围内。局限性又表现在下述两个方面：局限性又表现在下述两个方面：时间局限性时间局限性:如果程序中的某条指令一旦执行，则不久以后该指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被令可能再次执行；如果某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被访问。访问。空间局限性空间局限性:一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的

5、地址，可能集近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内。中在一定的范围之内。1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理 3.3.虚拟存储器的基本工作情况虚拟存储器的基本工作情况 应用程序在运行之前，仅须将那些当前要运行的少数页面或段，先应用程序在运行之前，仅须将那些当前要运行的少数页面或段，先装入内存便可运行，其余部分暂留在盘上。装入内存便可运行，其余部分暂留在盘上。程序在运行时，如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续程序在运行时，如果它所要访问的页（段）已调入内存，便可继续执行下去；但如果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或执行下去；但如

6、果程序所要访问的页（段）尚未调入内存（称为缺页或缺段），便发出缺页（段）中断请求，此时缺段），便发出缺页（段）中断请求，此时OSOS将利用请求调页（段）功将利用请求调页（段）功能，将它们调入内存，以使进程能继续执行下去。能，将它们调入内存，以使进程能继续执行下去。如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），如果此时内存已满，无法再装入新的页（段），OSOS还须再利用页还须再利用页（段）的置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调至盘上，腾出足够（段）的置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调至盘上，腾出足够的内存空间后，再将要访问的页（段）调入内存，使程序继续执行下去。的内存空间后，再将要访问的页（段

7、）调入内存，使程序继续执行下去。1.1 常规存储管理方式的特征和局部性原理1.2 虚拟存储器的定义和特征 1.1.虚拟存储器的定义虚拟存储器的定义 具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。其逻辑对内存容量加以扩充的一种存储器系统。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。外存。虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理技术，故被广泛地应用于大、中、小

8、型机器管理技术，故被广泛地应用于大、中、小型机器和微型机中。和微型机中。1.2 虚拟存储器的定义和特征 2.2.虚拟存储器的特征虚拟存储器的特征 多次性多次性 对换性对换性 虚拟性虚拟性 虚拟性是以多次性和对换性为基础的，或者虚拟性是以多次性和对换性为基础的，或者说，仅当系统允许将作业分多次调入内存，并能说，仅当系统允许将作业分多次调入内存，并能将内存中暂时不运行的程序和数据换至盘上时，将内存中暂时不运行的程序和数据换至盘上时，才有可能实现虚拟存储器；而多次性和对换性，才有可能实现虚拟存储器；而多次性和对换性，显然又必须建立在离散分配的基础上。显然又必须建立在离散分配的基础上。1.1.分页请求

9、系统分页请求系统 在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能，所形成在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能，所形成的页式虚拟存储系统。置换时以页面为单位。的页式虚拟存储系统。置换时以页面为单位。（1 1）硬件支持：请求分页的页表机制、缺页中断机构、地址变换机构。）硬件支持：请求分页的页表机制、缺页中断机构、地址变换机构。（2 2）实现请求分页的软件：实现请求调页的软件和实现页面置换的软）实现请求分页的软件：实现请求调页的软件和实现页面置换的软件。件。2.2.请求分段系统请求分段系统 在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后，所形成的在分段系统的基础上，增加了请

10、求调段及分段置换功能后，所形成的段式虚拟存储系统。置换是以段为单位进行的。段式虚拟存储系统。置换是以段为单位进行的。为了实现请求分段，系统同样需要必要的硬件和软件支持。为了实现请求分段，系统同样需要必要的硬件和软件支持。（1 1）硬件支持：请求分段的段表机制、缺段中断机构、地址变换机构。）硬件支持：请求分段的段表机制、缺段中断机构、地址变换机构。（2 2）实现请求分段的软件：实现请求调段的软件和实现段置换的软件。）实现请求分段的软件：实现请求调段的软件和实现段置换的软件。1.3 虚拟存储器的实现方法返回4.6 4.6 虚拟存储器虚拟存储器2 2 请求分页存储管理方式请求分页存储管理方式2.1

11、2.1 请求分页中的硬件支持请求分页中的硬件支持 1.1.请求页表机制请求页表机制 2.2.缺页中断机构缺页中断机构 3.3.地址变换机构地址变换机构2.2 2.2 请求分页中的内存分配请求分页中的内存分配2.3 2.3 页面调入策略页面调入策略2.1 请求分页中的硬件支持1.1.请求页表机制请求页表机制页号页号物理块号物理块号状态位状态位P P访问字段访问字段A A修改位修改位M M外存地址外存地址 状态位（存在位）状态位（存在位）P P：仅有一位，故又称位字，用于指示该页是仅有一位，故又称位字，用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。否已调入内存，供程序访问时参考。访问字段访问字段A

12、 A：记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法（程序）选择换出页面最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法（程序）选择换出页面时参考。时参考。修改位修改位M M：标识该页在调入内存后是否被修改过。供置换页面时标识该页在调入内存后是否被修改过。供置换页面时参考。参考。外存地址：外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。供调入该页时参考。2.1 请求分页中的硬件支持 2.2.缺页中断机构缺页中断机构 缺页中断作为中断，同样需要经历缺页中断

13、作为中断，同样需要经历诸如保护诸如保护CPUCPU环境、分析中断原因、转环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序进行处理，以及在入缺页中断处理程序进行处理，以及在中断处理完成后再恢复中断处理完成后再恢复CPUCPU环境等几个环境等几个步骤。步骤。缺页中断又是一种特殊的中断，它缺页中断又是一种特殊的中断，它与一般的中断相比，有着明显的区别：与一般的中断相比，有着明显的区别：在指令执行期间，产生和处理中在指令执行期间，产生和处理中断信号。断信号。一条指令在执行期间，可能产生一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。多次缺页中断。2.1 请求分页中的硬件支持3.3.地址变换机构地址变换机构 1.1.

14、最小物理块数的确定最小物理块数的确定 随着为每个进程所分配的物理块的减少，将使进程在执行中的缺页率上随着为每个进程所分配的物理块的减少，将使进程在执行中的缺页率上升，从而会降低进程的执行速度。升，从而会降低进程的执行速度。最小物理块数是指，能保证进程正常运行所需的最小物理块数，当系统最小物理块数是指，能保证进程正常运行所需的最小物理块数，当系统为进程分配的物理块数少于此值时，进程将无法运行。为进程分配的物理块数少于此值时，进程将无法运行。进程应获得的最少物理块数，与计算机的硬件结构有关，取决于指令的进程应获得的最少物理块数，与计算机的硬件结构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式。格式、功能和

15、寻址方式。对于某些简单的机器，若是单地址指令，且采用直接寻址方式，则所需对于某些简单的机器，若是单地址指令，且采用直接寻址方式，则所需的最少物理块数为的最少物理块数为2 2。其中，一块是用于存放指令的页面，另一块则是用于存。其中，一块是用于存放指令的页面，另一块则是用于存放数据的页面。放数据的页面。如果该机器允许间接寻址时，则至少要求有三个物理块。如果该机器允许间接寻址时，则至少要求有三个物理块。对于某些功能较强的机器，其指令长度可能是两个或多于两个字节，因对于某些功能较强的机器，其指令长度可能是两个或多于两个字节，因而其指令本身有可能跨两个页面，且源地址和目标地址所涉及的区域，也都而其指令本

16、身有可能跨两个页面，且源地址和目标地址所涉及的区域，也都可能跨两个页面。可能跨两个页面。2.2 请求分页中的内存分配 2.2.内存分配策略内存分配策略 （1 1）固定分配局部置换）固定分配局部置换 固定分配是指，为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间固定分配是指，为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变。不再改变。局部置换是指，如果进程在运行中发现缺页，则只能从分配给该进程的局部置换是指，如果进程在运行中发现缺页，则只能从分配给该进程的n n个个页面中，选出一页换出，然后再调入一页。页面中，选出一页换出，然后再调入一页。（2 2）可变分配全局置换）可变分配全局置换 可变分配是指，先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可变分配是指，先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当地改变。可根据情况做适当地改变。全局置换是指，如果进程在运行中发现缺页，则将全局置换是指，如果进程在运行中发现缺页，则将OSOS所保留的空闲物理块所保留的空闲物理块或者以所有进程的全部物理块为标的，选择一块换出，然后将所缺之页调入。或者以所有进程的全部物