第八章 虚拟内存 浙江工业大学.pptVIP

虚拟内存 第 8 章 虚拟存储器管理技术 固定分区、动态分区、简单分页和简单分段的存储器管理方式，有一个共同的特点，即要求将一个作业全部装入内存才能运行。如果有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存总容量，作业就不能全部被装入内存，致使该作业无法运行；有时大量作业要求运行，但由于内存容量不足以容纳所有这些作业，只能将少数作业装入内存让它们先运行，而将其它大量的作业留在外存上等待。 显而易见的一种解决方法，是从物理上增加内存容量，但这往往会受到机器自身的限制，而且增加了系统成本。 另一种方法是从逻辑上扩充内存容量，这正是虚拟存储技术所要解决的主要问题。 分页和分段对内存分区技术的关键突破 进程对内存访问的逻辑地址在运行时动态地被转换为物理地址，从而保证进程可以占据内存的不同区域（地址重定位机制）。 一个进程可以划分成许多块，在运行时，这些块不需要连续地位于主存中 （分页或分段机制）。 一个进程在执行的过程中，不需要所有的块都在内存中（虚拟内存机制）。 引入虚拟内存机制之后进程的执行 首先，操作系统仅读取程序开始处的一些块。 常驻集 (Resident set) – 进程执行中任何时候都在主存的部分 当处理器需要访问一个不在主存中的块时，系统将产生一个内存访问故障中断（缺页中断）。 操作系统将该进程置为阻塞状态，并取得控制权。 操作系统需要将该进程块取进内存 产生一个磁盘 I/O读请求 执行I/O操作期间，操作系统可选择另一个进程来运行 当I/O操作完成后，则产生一个I/O中断，控制权又交回操作系统，操作系统将之前被阻塞的进程置为就绪状态 虚拟存储技术的优点 内存中可以容纳更多的进程 每个进程只有一部分的程序块或数据块装入内存，其他块仍保存在磁盘上 内存可以容纳更多的进程，并发性得到更大的提高，从而也使得处理器得到了更有效的利用 进程可以比主存的全部空间还大 实存 (Real memory)：内存 虚存 (Virtual memory)：磁盘的存储空间 虚拟存储器的基本概念 1．局部性原理(principle of locality) 虚拟存储器系统实现的理论基础：程序执行的局部性规律。 早在1968年P．Denning就指出过，程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一段时间内，程序的执行仅局限于某个部分；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域内。 出现局部性规律的原因： 程序在执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，大多数仍是顺序执行的。 子程序调用将会使程序的执行由一部分内存区域转至另一部分区域。但在大多数情况下，过程调用的深度都不超过5。 程序中存在许多循环结构，循环体中的指令被多次执行。 程序中还包括许多对数据结构的处理，如对连续的存储空间——数组的访问，往往局限于很小的范围内。 局部性原理 时间局限性：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久的将来该指令可能再次被执行；如果某个存储单元被访问，则不久以后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因是在程序中存在着大量的循环操作。 空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其附近的存储单元也最有可能被访问。 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内，其典型原因是程序是顺序执行的。 局部性原理确保了虚拟存储机制的可行性。但利用局部性原理的同时，要避免系统出现抖动现象（thrashing），即处理器大部分时间都用于交换块，而不是执行指令。 2. 虚拟存储器实现的软硬件支撑 硬件支撑 有相当容量的辅存（磁盘）以存放所有并发作业的地址空间 有一定容量的内存来存放运行作业的部分程序 有支持分页或分段的硬件 请求分页系统和请求分段系统 动态地址转换机构 软件支撑 操作系统能提供页或段在主存和辅存之间有效交换的管理模块 读取策略、放置策略、替换策略、驻留集管理、清除策略等 3. 虚拟存储器的特征 离散性：指在内存分配时采用离散的分配方式，它是虚拟存储器的最基本的特征。 多次性：指一个作业被分成多次调入内存运行，即在作业运行时没有必要将其全部装入，只须将当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可。多次性是虚拟存储器最重要的特征。 对换性：指允许在作业的运行过程中在内存和外存的对换区之间换进、换出。 虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。 请求分页存储管理系统 请求分页存储管理系统是在纯分页系统的基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统，它是目前常用的一种虚拟存储器的方式。 它允许只装人若干页(而非全部页)的用户程序和数据，便可启动运行。以后，再通过调页功能及页面置换功能，陆续地把即将要运行的页面调入内存，同时把暂不运行的页面换出到外存上，置换时以页面为单位。 1. 请求分页中的硬件