虚拟内存管理思维导图

U582141251

2024-12-20

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页面置换算法

最近最久未使用置换算法

置换策略

虚拟内存管理内容详述

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思维导图大纲

虚拟内存的基本概念

传统存储管理方式的特征，缺点

一次性:作业数据必须一次全部调入内存

驻留性：作业数据在整个运行期间常驻内存

局部性管理

时间局部性：现在访问的指令，数据在不久之后很可能会再次访问

空间局部性：现在访问的内存单元周围的内存空间很可能会再次被访问

高速缓存技术：使用频繁的数据放到更高速的存储器中

虚拟内存的定义和特征

程序不需全部装入即可运行，运行根据需要动态调入数据，若内存不够，还需要换出一些数据

特征

多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。

对换性：无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入，换出。

虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量

如何实现虚拟内存技术

访问的信息不再内存时，由操作系统负责将所需信息，从外存调入内存(请求调页功能)

内存空间不够时，将内存中暂时用不到的信息换出外存(页面置换功能)

虚拟内存的实现

请求分页存储管理

请求分段存储管理

请求段页式存储管理

请求分页管理方式

页表机制

在基本分页的基础上增加了几个表项

状态位：表示页面是否已在内存中

访问字段：记录最近被访问过几次，或记录上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时参考

修改位：表示页面调入内存后是否被修改过，只有修改过的页面才需在置换时写回外存

外存地址：页面在外存中存放位置

缺页中断机构

找到页表项后检查页面是否已经在内存，若没在内存，产生缺页中断。

缺页中断处理中，需要将目标页面调入内存，有必要时还需要换出页面

缺页中断属于内中断，属于内中断中的“故障”，即可能被系统修复的异常

一条指令在执行过程中可能产生多次缺页中断

地址变换机构

找到页表项是否需要检查页面是否在内存中

若页面不再内存中，需要请求调页

若内存空间不够，还需换出页面

页面调入内存后，需要修改相应页表项

页面置换算法

最佳置换算法（OPT）

算法规则

优先淘汰最长时间内不会被访问的页面

优缺点

缺页率小，性能最好，但无法实现

先进先出置换算法(FIFO)

算法规则

优先淘汰最先进入页面的内存

优缺点

实现简单；但性能更差，可能出现Belady异常

最近最久未使用置换算法(LRU)

算法规则

优先淘汰最久没访问的页面

优缺点

性能很好；但需要硬件支持，算法开销大。

时钟置换算法(CLOCK)

算法规则

循环扫描各页面，第一轮淘汰访问位=0的，并将扫描过的的页面访问位改为1.若第一轮没选中，则进行第二轮扫描。

优缺点

实现简单，算法开销小；但为考虑页面是否被修改过。

改进型的时钟置换算法(NRU)

算法规则

若用（访问位，修改位）的形式表述，则第一轮：淘汰(0,0) 第二轮:淘汰(0,1)，并将扫描过的页面访问位都设置为0 第三轮淘汰(0,0) 第四轮:淘汰(0,1)

优缺点

算法开销小，性能也不错

页面分配策略

驻留集

指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合

页面分配，置换策略

固定分配VS可变分配

区别在于进程运行期间驻留大小是否可变

局部置换VS全局置换

区别在于发生缺页时是否只能从自己的页面中选一个换出

固定分配局部置换

进程运行前就分配一定数量物理块，缺页时只能换出进程自己的某一页

可变分配全局置换

只要缺页就分配新物理块，可能来自空闲物理块，也可能需换出别的进程页面

可变分配局部置换

频繁缺页的进程，多分配一些物理块；缺页率很低的进程，回收一些物理块。知道缺页率合适。

何时调入页面

预调页策略：一般用于进程运行前

请求调页策略：进程运行时，发现缺页再调页

从何处调页

对换区——采用连续存储方式，速度更快；文件区——采用离散存储方式，速度更慢。

对换区足够大：运行将数据从文件区复制到对换区，之后的所有页面调入调出都在内存与对换区之间进行

对换区不够大：不会修改的数据每次从文件区调入；会修改的数据调出到对换区，需要时再从对换区调入

UNIX方式：第一次使用的页面都从文件区调入；调出的页面都写回对换区，再使用时从对换区调入。

抖动(颠簸)现象

页面频繁换入换出现象，主要原因是分配给进程的物理块不够

工作集

在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合。驻留集大小一般不能小于工作集大小

内存映射文件

特性

进程可使用系统调用，请求操作系统将文件映射到进程的虚拟地址空间。

以访问内存的方式读写文件

进程关闭文件时，操作系统负责将文件数据写回磁盘，并解除内存映射

多个进程可以映射同一个文件，方便共享

优点

程序员编程更简单，已建立映射的文件，只需要访问内存的方式读写即可。

文件数据的读入/写出完全由操作系统负责，I/O效率可以有操作系统负责优化

数智技术在工程设备管理中的应用思维导图

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