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操作系统#11——请求分页存储管理方式

别动我的月亮啊 2020-12-29
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  • 请求分页中的硬件支持

    • 请求页表机制

    • 缺页中断机构

    • 地址变换机构

  • 请求分页中的内存分配

    • 最小物理块数的确定

    • 内存分配策略

    • 物理块分配算法

  • 最佳置换算法

  • 先进先出(FIFO)页面置换算法

  • 最近最久未使用(LRU)置换算法

  • 最少使用(LFU)置换算法

  • 简单的Clock置换算法

  • 改进型Clock置换算法


请求分页存储管理方式

请求分页系统是建立在基本分页基础上的,为了能支持虚拟存储器功能,而增加了请求调页功能和页面置换功能。相应地,每次调入和调出的基本单位都是长度固定的页面,这使得请求分页系统在实现上要比请求分段系统简单(分段系统的段是可变长度)

请求分页中的硬件支持

系统必须提供一些硬件支持。

请求页表机制

请求页表相对于基本分页的页表新添了几项:

请求页表结构

各字段说明:

  1. 状态位P(存在位):由于在请求分页系统中,指将应用程序的一部分调入内存,还有一部分仍在外存磁盘,故须在页表中增加一个存在位字段。用于标识该页是否已调入内存
  2. 访问字段A:用于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,提供给置换算法在选择换出页面时参考
  3. 修改位M:标识该页在调入内存后是否被修改过。内存中的每一页都在外存上保留一份副本,如果未被修改,就不需再将该页写回到外存上。
  4. 外存地址:用于指出该页在外存上的地址,通常是物理块号

缺页中断机构

每当所要访问的页面不在内存中时,便产生一缺页中断,请求OS将所缺之页调入内存。缺页中断又是一种特殊的中断,主要表现在以下两方面:

  1. 在指令执行期间产生和处理中断信号。通常CPU都是在一条指令执行完后才检查是否有中断求情到达。而缺页中断是立刻处理
  2. 一条指令执行期间可能产生多次中断

地址变换机构

如图:

地址变换过程

请求分页中的内存分配

最小物理块数的确定

最小物理块数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。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。

内存分配策略

在请求分页系统中,可采取两种内存分配策略,即固定的和可变分配策略。进行置换时,可采用全局置换和局部置换两种策略。

  • 固定分配策略:为每个进程分配一组固定数目的物理块
  • 可变分配策略:每个进程分配一定数目的物理块,在进程运行期间,可根据情况做适当的增加和减少
  • 局部置换:如果进程在运行中发现缺页,则只能从分配给该进程的n个页面中选出一页换出,然后调入一页。
  • 全局置换:如果进程在运行中发现缺页,则将OS所保留的空闲物理块取出一块分配给该进程

物理块分配算法

采取平均分配算法还是根据进程大小按比例分配

页面置换算法

在进程中,若其所要访问的页面不在内存,而需把它们调入内存,但内存无空闲空间时,为了保证该进程能正常运行,系统必须从内存中调出一页程序或数据送到磁盘的对换区中。但应将哪个页面调出,须根据一定的算法来确定。

最佳置换算法

这是一种理论上的算法,目前还无法实现。其所选择的被淘汰页将是以后最长时间内不再被访问的页面。这个算法一般被用作去评价其他算法。

最佳置换算法

先进先出(FIFO)页面置换算法

FIFO是最早出现的置换算法。该算法总是淘汰最先进入内存的页面,实现简单但也可能是性能最差的算法。

FIFO置换算法

最近最久未使用(LRU)置换算法

LRU算法选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

LRU置换算法

最少使用(LFU)置换算法

该置换算法选择在最近时期使用最少的页面作为淘汰页。

简单的Clock置换算法

利用简单Clock算法时,只需每页设置一位访问位,再将内存中的所有页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当每页被访问时,其访问被置为1。置换算法选择一页淘汰时,如果是0则直接淘汰,如果是1则置为0。然后循环这个操作,直到找到一页为0。

改进型Clock置换算法

在将一个页面换出时,如果该页已被修改过,便须将该页重新写回到磁盘上;但如果没有被修改过,则不必将它拷回磁盘。因此访问位A和修改位M可以组合成下面四种类型的页面:

  1. A=0,M=0:最佳淘汰页
  2. A=0,M=1:已被修改过但是没被访问,不是很好的淘汰页
  3. A=1,M=0:未来可能被再次访问
  4. A=1,M=1:已被访问且被修改


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