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虚拟内存
|操作系统内存
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虚拟内存

概述

  • 定义：利用 ==按需调页== 和 ==页面置换== 技术在 ==逻辑上== 对物理内存进行 ==扩大== 的技术

  • 核心：按需调页 + 页面置换

  • 解释：

    • 程序在加载进入内存中时，仅将程序的 需要使用的页 装入内存，而将 暂时不需要使用的页留在后备存储中

      处理器再执行程序中的指令时，访问的部分没有被加载进入内存中，此时将这部分程序加载进入内存中 -> 按需调页

    • 空闲内存低于阈值时，会将内存中 暂时没有使用页换出 到后备存储的 交换空间 中，换入 当前处理器 需要访问的页 -> 页面置换

    • 因为不断地换入换出进程的页面，用户就会感觉进程 整个 都在内存中运行，就好像使用了比实际物理内存更大内存，也就是虚拟内存

      虚拟内存技术可以说就是制造“假象”的技术

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  • 举例：在线观看视频

    • 浏览器并不会将整个视频全部传输完成再播放，那样显然就变成下载了；

    • 浏览器每播放一部分就下载一部分，播放过的部分就会被正在播放的部分直接覆盖；

    • 用户需要倒推观看时会发现仍然需要缓冲（除非网速很快），因为之前观看的部分已经被删除了；

    • 这样给用户的感觉就是整个视频都被加载到内存中播放，但实际上仅仅用了很少的内存

  • 特点：

    • 多次性：不需要一次性将程序的所有页全部加载进入内存
    • 对换性：允许进程的页在运行过程中换出内存进入交换空间
    • 虚拟性

  • 实现：

    • 基于 ==分页式== 的内存管理
    • 基于 ==分段式== 的内存管理
    • 基于 ==段页式== 的内存管理

  • 细节：

    • 虚拟内存称呼：

      • 虚拟内存技术：内存管理的一种技术，并不是指的某个具体存储空间

      • 虚拟内存空间（交换空间）：硬盘等外部存储设备利用部分存储空间存储临时性的虚拟地址，这里指的就是实际存在的存储空间，也被称为交换空间

        注：这两个概念通常都被简称为虚拟内存，实际代表什么需要根据上下文语境来查看

    • 虚拟内存查看：

      windows： systeminfo 指令可以查看虚拟内存情况

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请求调页

概述

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页错

  • 定义：进程试图访问没有被调入内存的页面时产生的错误

    注：不能够说进程试图访问有效-无效位为无效的页面时产生的错误：==没有被调入内存 ≠ 有效-无效位为无效==

  • 分类：

    • 进程访问的页确实是无效的 -> 系统就没计划为其分配内存，产生页错

    • 进程访问的页面是有效的 -> 系统计划为其分配内存但是并没有真正分配，产生页错

      解释：这种情况的出现主要是由于程序员声明了分配内存，但是暂时还没有使用这块内存，所以系统不会为其真正分配内存

  • ==处理==：

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    1. 操作系统执行 陷阱处理 程序

    2. 调度程序 保存进程上下文（进程的程序计数器，进程状态…）

    3. 开始处理中断：判断中断是否为 缺页中断：

      (1) 如果是缺页中断： 调入相应的页进入空闲帧

      注：如果帧表中存在空闲帧，那么直接调入就行；如果帧表中不存在空闲帧，那么需要使用 页面置换，换出暂不使用的页，换入需要使用的页

      (2) 如果是越界中断：直接终止进程

    4. I/O 系统控制磁盘读取相应的页：

      (1) 调度程序执行上下文切换：进程进入设备队列等待（running -> waiting）

      (2) 等待磁盘的的寻道时间（查询数据的时间）

      (3) 磁盘查询到相应数据开始传输数据

    5. 调度程序将处理器 分配给其余需要使用的进程

    6. I/O 系统在磁盘传输完成后 发出中断

    7. 调度程序 保存进程上下文

    8. 确定中断来自于磁盘并且开始处理中断

    9. 更新页表 及其相关信息 （waiting -> ready）

    10. 调度程序再次执行上下文切换

    11. 重新将处理器分配给该进程并且 重新执行指令

  • 性能分析：

  • 细节：

页面置换

概述

  • 前提：内存中已经 没有空闲帧 用于存放新加载进入内存的页面

    • 解决方式：(1) 终止当前需要调页的进程 (2) 换出 其他进程释放空间 (3) 页面置换

  • 定义：

    • 调度程序选择 ==牺牲帧== 并将其 ==换出== 到后备存储的 ==交换空间== 中
    • 调度程序再将 需要使用的帧 换入（加载）进入内存的 ==空闲帧== 中

  • 分类：

  • 处理过程：

    1. 内存管理单元根据 页表 确定需要使用的 页面的磁盘地址

    2. 调度程序寻找 空闲帧

      • 内存中存在空闲帧：随机选择某个空闲帧存放页面（优先）

      • 内存中不存在空闲帧：利用 页面置换算法 选择 牺牲帧 将其换出到 交换空间 中腾出空闲帧存放页面

        牺牲帧并不一定需要换出到交换空间：只要牺牲帧没有被修改过就不需要

    3. 内存管理单元 修改帧表和页表

    4. 从发生缺页错误的位置继续执行进程

  • 修改位（脏位）

    • 定义：用于标记页面是否被 ==修改== 过

    • 功能：用于 ==减少== 页面置换时产生的换入换出 ==开销==

      解释：如果页面没有被修改过，那么就不需要再将其换出到交换空间中，因为和磁盘存储的页面是一样的；如果页面修改过，就需要将其换出到交换空间中

  • 细节：

置换算法

  • 前提：下列所有算法都是 基于局部替换策略

  • 内存引用串：

    • 定义：处理器一段时间内需要访问的 页号序列

      举例：逻辑地址序列 101 114 514 223 233 页面大小 100 -> 内存引用串：1 1 5 2 2

    • 计算方式：

      • 10 进制逻辑地址：逻辑地址 ÷ 页面大小 = 页号 + 偏移量

      • 2 进制逻辑地址：

        • 方法一：2进制逻辑地址转换为10进制逻辑地址再算
        • 方法二：(1) 2进制逻辑地址的比特位个数 - 表示页面大小需要的比特位个数 = 表示页号需要的比特位个数 (2) 再将2进制的页号转为10进制

        举例：2进制逻辑地址：10110011 页面大小 15：相当于是最低 4 位表示 ？？？

  • 算法评判标准：帧错误率尽可能低

  • 细节：进程被分配的物理帧越多帧错误率会越低

FIFO 置换算法

  • 定义：每次选择 ==最早进入== 内存的页面进行替换

  • 实现：利用 队列 记录页面进入内存的“时间”：并不记录具体的时间

    解释：最早进入内存的页面就是队首元素，后续进入的页面依次进入队列；

    ​ 每次页面置换的时候就选择队首元素替换，然后让队列第二个元素称为队首元素，新的页面称为队尾元素

  • 优点：实现最为简单

  • 缺陷：(1) 产生 ==Belady异常==：随着进程被分配的 物理帧数的增加，缺页错误的数量也增多 (2) 性能 最差

OPT 置换算法

  • 定义：每次选择那些在 ==未来 长时间不使用== 的页面进行替换
  • 优点：具有 最优 的性能
  • 缺点：几乎不能实现（解释：不可能预测到哪些页面将会在未来访问）

LRU 置换算法

  • 定义：每次选择那些在 ==过去 长时间不使用== 的页面进行替换
  • 实现：
    • 计数器实现
      1. 每个页面维护一个计数器
      2. 每次页面被访问时该页面的计数器就递增
    • 堆栈实现
      1. 堆栈中保存当前 使用过 的页号
      2. 堆栈中的页号每次被引用时都从栈中移除然后 压入栈顶；不存在于堆栈的页号被引用时 直接压入栈顶
      3. 确保堆栈的 顶端 是最近访问的页面，堆栈的 底端 是长时间没有访问页面
  • 细节：
    • 两种实现方式都属于 堆栈算法，绝对不会产生 Belady 异常
    • 采用这两种实现方式的 LRU 算法也被称作标准 LRU 算法：是不可能实现的

页置换算法

近似 LRU 置换算法

  • 额外引用位算法

    1. 每个页面都必须维护一个 ==8位 的移位寄存器==：表示为 $R = R_7R_6···R_2R_1R_0$(表示寄存器的位数)

    2. 每次访问某个页面时都将该页面的移位寄存器中的 ==R7 位置为 1==

    3. 每隔一定的时间移位寄存器中就会 ==右移一位==，最低位直接 ==抛弃==

      举例：时钟信号发出，移位寄存器右移，R3 = R4 = 1，其余位置一样

    4. 最后选择 ==寄存器数值最小== 的作为长时间没有访问页面

      举例：页面 0 寄存器：11001100； 页面 1 寄存器：00110101 ；页面 2 寄存器 00010111 -> 显然页面 2 是寄存器数值最小的页面

    注：可能同时多个页面的寄存器数值一样大：(1) 可以全部替换 (2) 可以使用 FIFO 在这些页面当中选择

  • 第二次机会算法：

    1. 每个页面仅维护 ==1位== 的引用位；并且将所有页面以 ==循环队列== 的方式维护
    2. 每次替换页面时就在循环队列中查找：(1) 如果引用位为 0 就直接替换该页面 (2) 如果引用位为 1 就继续循环查找并将当前页面的引用位置为 0（二次机会）

    注：最坏的情况是每页的引用位都是 1：那么该算法将会将所有的引用位重新置为 0 再进行循环查找 （相当于退化成 FIFO 算法）

基于计数的置换算法

  • 最不常使用算法
  • 最常使用算法
Author: Fuyusakaiori
Link: http://example.com/2021/09/18/os/memory/虚拟内存/
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