计算机操作系统感悟随笔--虚拟存储管理

一、虚拟存储器的基本概念
分析常规存储器管理不足的原因：
1）常规存储器管理方式的特征
一次性：作业在运行前一次性地全部装入内存
驻留性：作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直至作业运行结束。

一次性及驻留性在程序运行时是否是必须的？
NO。程序运行有局部性。
2）局部性原理
程序在执行时将呈现出局部性规律：
在一较短的时间内
程序的执行仅局限于某个部分；
相应地，所访问的存储空间也局限于某个区域。

程序执行的特点：
多数情况下仍是顺序执行。
少部分的转移和过程调用指令会使程序执行由一部分区域转至另一部分区域（但研究表明调用深度多数情况下不超过5）
许多由少数指令构成的循环结构会多次执行。
对许多数据结构的处理（如数组）往往局限于很小的范围内。

所有上述情况都表现出程序执行的局部性：
时间局部性(temporal locality)
被引用过一次的存储器位置很可能在不远的将来再被多次引用。
空间局部性(spatial locality)
如果一个存储器位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个存储器位置。

关于局部性的讨论
有良好局部性的程序运行速度更快；
计算机系统的各个层次都利用了局部性：
Cache；
主存:缓存磁盘文件系统最近使用的磁盘块；
Web浏览器将最近被引用的文档放在本地磁盘上；
Web服务器将最近被请求的文档放在前端磁盘高速缓存中。

重复引用同一个变量的程序有良好的时间局部性；
对于使用数组等数据结构的程序，a[1],a[2]……数据的使用可看做具有步长k=1的引用模式，步长越小，空间局部性越好；数组按行访问和按列访问其局部性不同。

对于取指令来说，循环有好的时间和空间局部性；

循环体越小，循环迭代次数越多，局部性越好。

基于局部性原理
程序运行前，不需全部装入内存（打破一次性）
仅装入当前要运行的部分页面或段即可运行，其余部分暂留在外存上。
缺页/段的情况：要访问的页(段) 尚未调入内存。程序应利用OS所提供的请求调页(段)功能，将它们调入内存，使程序继续执行。
调入需要的页/段时，如果内存已满，无法再装入新页(段)，通过置换功能将内存中暂时不用的页(段)调至外存，腾出足够的内存空间。（不总驻留）

交换技术与虚存使用的调入调出技术有何相同和不同之处？

主要相同点是都要在内存与外存之间交换信息；
主要区别在于交换技术换出换进一般是整个进程(proc结构和共享正文段除外)，因此一个进程的大小受物理存储器的限制；
而虚存中使用的调入调出技术在内存与外存之间来回传递的是存储页或存储段，而不是整个进程，从而使得进程映射具有了更大的灵活性，且允许进程的大小比可用的物理存储空间大的多。

3）虚拟存储器的定义
所谓“虚拟存储器”，是指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。
虚拟存储管理下
内存逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定
运行速度接近于内存速度
每位的成本却接近于外存。

4）虚拟存储器的实现
虚拟存储管理：
允许将一个作业分多次调入内存。
若采用连续分配方式，需申请足够空间，再分多次装入，造成内存资源浪费，并不能从逻辑上扩大内存容量。
虚拟的实现建立在离散分配存储管理基础上
方式：请求分页/请求分段系统
细节：分页/段机构、中断机构、地址变换机构、软件支持

5）虚拟存储器的特征
离散分配方式是基础
多次性：一个作业被分成多次调入内存运行
对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出。（进程整体对换不算虚拟）
最终体现虚拟性：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。

3.页面置换算法

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