1.虛擬存儲器的定義

所謂“虛擬存儲器”，是指具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對內存容量加以擴充的一種存儲器系統。

虛擬存儲管理下 ：內存邏輯容量由內存容量和外存容量之和所決定； 運行速度接近于內存速度； 每位的成本卻接近于外存。

2.虛擬存儲器的實現

虛擬存儲管理：

允許將一個作業分多次調入內存。

若采用連續分配方式，需申請足夠空間，再分多次裝入，造成內存資源浪費，并不能從邏輯上擴大內存容量。

虛擬的實現建立在離散分配存儲管理基礎上

方式：請求分頁/請求分段系統

細節：分頁/段機構、中斷機構、地址變換機構、軟件支持

3.虛擬存儲器的特征

離散分配方式是基礎

多次性：一個作業被分成多次調入內存運行

對換性：允許在作業的運行過程中進行換進、換出。（進程整體對換不算虛擬）

虛擬性：能夠從邏輯上擴充內存容量，使用戶所看到的內存容量遠大于實際內存容量。

請求分頁存儲管理方式

基本分頁 + “請求調頁”和“頁面置換”功能。

換入和換出基本單位都是長度固定的頁面

1）硬件支持

? ?一臺具有一定容量的內/外存的計算機

+ 頁表機制

+ 缺頁中斷機構

+ 地址轉換機構

②缺頁中斷機構

每當要訪問的頁面不在內存時，便產生一缺頁中斷通知OS，OS則將所缺之頁調入內存。作為中斷，需經歷幾個步驟：

a)“保護CPU環境”

b)“分析中斷原因”

c)“轉入缺頁中斷處理程序”

d)“恢復CPU環境”等。

作為一種特殊中斷，與一般中斷有明顯區別：

(1)在指令執行期間產生和處理中斷信號。

(2)一條指令在執行期間，可能產生多次缺頁中斷。

頁面置換算法

進程運行過程中，訪問的頁面不在內存，調入時內存已無空閑空間，需要將內存中的一頁程序或數據調到外存。

頁面置換算法(page replacement algorithms)：選擇換出哪些頁面的算法，其好壞直接影響系統的性能。

應具有較低的缺頁率：

頁面調入次數（缺頁次數）/總的頁面使用次數

1）最佳（Optimal）置換算法

Belay，1966年提出的一種理論上的算法

換出以后永不再用的，或在最長(未來)時間內不再被訪問的頁面。

優點：保證獲得最低的缺頁率

不足：無法實現，因為無法預知一進程將來的運行情況

作用：作為參照標準，評價其他算法

2）先進先出置換算法（FIFO）

先進入的先淘汰，即選擇內存中駐留時間最久的頁面予以淘汰。

優點：實現簡單，把一進程已調入內存的頁面按先后次序組織成一個隊列，并設置一個指針(替換指針)，使它總是指向隊首最老的頁面。

不足：與進程實際運行規律不相適應（較早調入的頁往往是經常被訪問的頁，頻繁被對換造成運行性能降低）

Belady現象：出現分配的頁面數增多，缺頁率反而提高的異常現象。

描述：一個進程P要訪問M個頁，OS分配N個內存頁面給進程P；對一個訪問序列S，發生缺頁次數為PE（S,N）。當N增大時，PE(S,N)時而增大，時而減小。

Belady現象的原因：FIFO算法的置換特征與進程訪問內存的動態特征矛盾，即被置換的頁面并不是進程不會訪問的。

4）輪轉算法(clock)又稱最近未使用算法(NRU,Not Recently Used)，

LRU(最近最久未使用算法)近似算法折衷FIFO

每個頁設一個使用標志位(use bit)，若該頁被訪問則將其置為1。

設置一個指針，從當前指針位置開始按地址先后檢查各頁，尋找use bit=0的頁面作為被置換頁。

若指針經過的頁use bit=1，修改use bit=0（暫不凋出，給被用過的頁面駐留的機會），指針繼續向下。到所有頁面末尾后再返回隊首檢查。

影響缺頁率的主要因素

(1)分配給作業的主存塊數:

? 多則缺頁率低，反之則高。

(2)頁面大小：

? 大則缺頁率低；反之則高。

(3)頁面調度算法：

? 對缺頁中斷率影響很大，但不可能找到一種最佳算法。

(4)程序編制方法：

? 以數組運算為例，如果每一行元素存放在一頁中，則按行處理各元素缺頁中斷率低；反之，按列處理各元素，則缺頁中斷率高。

系統抖動：

為了提高處理機利用率，可增加多道程序并發度；

但進程數目增加過多，每個進程分配得到的物理塊太少，在某個臨界點上，會出現剛被淘汰的頁很快又需重新調入；而調入不久又被淘汰出去；出現頻繁缺頁

大部分處理器時間都用在來回的頁面調度上，這種局面稱為系統抖動或顛簸（thrashing)

抖動的后果：

缺頁率急劇增加

內存有效存取時間加長，

系統吞吐量驟減；系統已基本不能完成什么任務，而是忙于頁面對換操作，cpu雖然忙，但效率急劇下降。

根本原因：

頁面淘汰算法不合理；分配給進程的物理頁面數(駐留集)太少。