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第四章 存储器管理
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4.1 程序的装入和链接 编译——链接——装入
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4.1.1 程序的装入 1. 绝对装入方式(Absolute Loading Mode) 编译时指定程序驻留在内存的绝对地址
程序的装入 1. 绝对装入方式(Absolute Loading Mode) 编译时指定程序驻留在内存的绝对地址 程序中所使用的绝对地址,既可在编译或汇编时给出, 也可由程序员直接赋予 通常在程序中采用符号地址,然后在编译或汇编时,再将这些符号地址转换为绝对地址
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2. 可重定位装入方式(Relocation Loading Mode)
逻辑地址、物理地址 重定位:装入时对目标程序中指令和数据的修改过程 静态重定位
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3. 动态运行时装入方式(Dynamic Run-time Loading)
动态运行时的装入程序,在把装入模块装入内存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序真正要执行时才进行。因此, 装入内存后的所有地址都仍是相对地址。
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程序的链接 1. 静态链接方式(Static Linking) 变换外部调用符号 对相对地址进行修改
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2. 装入时动态链接(Loadtime Dynamic Linking)
边装入边链接。 装入时动态链接方式有以下优点: (1)便于修改和更新。 (2) 便于实现对目标模块的共享。
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3. 运行时动态链接(Run-time Dynamic Linking)
将对某些模块的链接推迟到执行时才执行,亦即,在执行过程中,当发现一个被调用模块尚未装入内存时,立即由OS去找到该模块并将之装入内存, 把它链接到调用者模块上。凡在执行过程中未被用到的目标模块,都不会被调入内存和被链接到装入模块上 优点: 加快装入过程、节省内存空间
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4.2 连续分配方式 为一个用户程序分配一个连续的内存空间
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4.2.1 单一连续分配 只能用于单用户、单任务的操作系统中
内存分为系统区和用户区两部分,系统区仅提供给OS使用,通常是放在内存的低址部分;用户区是指除系统区以外的全部内存空间, 提供给用户使用
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固定分区分配 将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域,在每个分区中只装入一道作业 可运行多道程序
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固定分区分配 1. 划分分区的方法 (1) 分区大小相等, 即使所有的内存分区大小相等。 (2) 分区大小不等。
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动态分区分配 根据进程的实际需要,动态地为之分配内存空间
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1. 分区分配中的数据结构 (1) 空闲分区表。 (2) 空闲分区链。 空闲链结构
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阴影部分表示已占用块,空白部分表示空闲块
申请40K内存 0KB 100KB 180KB 190KB 280KB 330KB 390KB 410KB 512KB-1B 2. 分区分配算法 (1) 首次适应算法FF。 要求:空闲分区链以地址递增的次序链接 算法:从链首开始顺序搜索,直至找到一个大小能满足要求的空闲分区,从该分区中划出一块能放下作业的空间给请求者,剩下的空闲分区仍留在空闲链中。若未找到大小大于作业要求的大小,则分配失败。 缺点:低地址不断被划分,留下许多难以利用的、很小的空闲分区;又每次查找是从低地址开始,从而增加可用空闲分区查找的开销
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阴影部分表示已占用块,空白部分表示空闲块
申请40K内存 0KB 100KB 180KB 190KB 280KB 330KB 390KB 410KB 512KB-1B 2. 分区分配算法 查找指针位置 (2) 循环首次适应算法,该算法是由首次适应算法演变而成的。 算法:不从链首开始查找,从上次找到的空闲分区的下一空闲分区开始查找 要求:设置查找指针,指示下一次起始查询的空闲分区 采用循环查找方式 优点:减少了查找空闲分区的开销 缺点:缺乏大的空闲分区
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阴影部分表示已占用块,空白部分表示空闲块
申请40K内存 0KB 100KB 180KB 190KB 280KB 330KB 390KB 410KB 512KB-1B 2. 分区分配算法 (3) 最佳适应算法 要求:将空闲分区按容量从大到小形成空闲分区链。 算法:将能满足要求、又是最小的空闲分区分配给作业 缺点:留下许多难以利用的小空闲区
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3. 分区分配操作 1) 分配内存
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2) 回收内存(四种情况)
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例: 采用动态分区分配方式管理内存,内存空间为640K,高端40K为系统区。当前用户内存区空闲。对下列的请求序列:作业1申请130K、作业2申请60K、作业3申请100K、作业2释放60K、作业4申请200K、作业3释放100K、作业1释放130K、作业5申请140K、作业6申请60K、作业7申请50K、作业6释放60K。画图表示出最佳适应算法进行内存分配和回收后内存的实际情况 作业1 作业5 130K 140K 作业2 190K 作业3 290K 作业4 空闲 490K 作业6 550K 作业7 600K 系统区 640K-1
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可重定位分区分配 1. 动态重定位的引入
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1. 动态重定位的引入 紧凑:通过移动内存中作业的位置,以把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法
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2. 动态重定位的实现
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3. 动态重定位分区分配算法
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对换(Swapping) 1. 对换的引入 所谓“对换”,是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据,调出到外存上,以便腾出足够的内存空间,再把已具备运行条件的进程或进程所需要的程序和数据,调入内存。 对换是提高内存利用率的有效措施。
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1. 对换的引入 整体对换:以进程为单位,也称进程对换 部分对换:以页或段为单位,也称页面对换、分段对换
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2. 对换空间的管理 外存:文件区——主要目标:提高文件存储空间的利用率,采用离散分配方式 对换区——主要目标:提高进程换入换出速度,采用连续分配方式 数据结构:与内存的动态分区分配方式的数据结构类似 对换空间的分配与回收:与内存的动态分区分配方式的内存分配与回收类似 分配算法:首次自适应、循环首次自适应、最佳自适应
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3. 进程的换出与换入 (1) 进程的换出。 过程:系统首先选择处于阻塞状态且优先级最低的进程作为换出进程,然后启动盘块,将该进程的程序和数据传送到磁盘的对换区上。若传送过程未出现错误,便可回收该进程所占用的内存空间,并对该进程的进程控制块做相应的修改。
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3. 进程的换出与换入 (2) 进程的换入 系统应定时地查看所有进程的状态,从中找出“就绪”状态但已换出的进程,将其中换出时间(换出到磁盘上)最久的进程作为换入进程,将之换入,直至已无可换入的进程或无可换出的进程为止。
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4.3 基本分页存储管理方式 离散分配方式 分页存储式管理:分配基本单位——页 分段存储式管理:分配基本单位——段
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4.3.1 页面与页表 1. 页面 1) 页面和物理块 分页存储管理:将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面或页,并为各页加以编号;相应地,把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块,称为(物理)块或页框(frame),同样为它们加以编号。在为进程分配内存时,以块为单位将进程中的若干个页分别装入到多个可以不相邻接的物理块中的内存管理方式 “页内碎片”。
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1. 页面 2) 页面大小 页面小:优点:使内存碎片减小,从而减少了内存碎片的总空间, 有利于提高内存利用率; 缺点:使每个进程占用较多的页面,从而导致进程的页表过长,占用大量内存;还会降低页面换进换出的效率。 页面大:可以减少页表的长度,提高页面换进换出的速度,但却又会使页内碎片增大 结论:页面的大小应选择得适中,且页面大小应是2的幂,通常为512 B~8 KB。
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某分页系统,主存容量为64K,页面大小为1K,对一个4页大的作业,其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、4、6、7块中。
将十进制的逻辑地址1023、2500、4500转换为物理地址 2. 地址结构 分页地址中的地址结构如下: 12 11 31 ★逻辑地址1023:1023/1K得页号为0,页内地址为1023,查页表找到对应得物理块为2,故物理地址为2*1K+1023=3071。 ★逻辑地址2500:2500/1K得页号为2,页内地址为452,查页表找到对应得物理块为6,故物理地址为6*1K+452=6596。 ★逻辑地址4500:4500/1K得页号为4,页内地址为404,页号大于页表长度,产生越界中断 页号P 位移量W 对某特定机器,其地址结构是一定的。若给定一个逻辑地址空间中的地址为A,页面的大小为L,则页号P和页内地址d可按下式求得:
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3. 页表
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4.3.2 地址变换机构 基本任务:实现从逻辑地址到物理地址的转换。
某分页系统,主存容量为64K,页面大小为1K,对一个4页大的作业,其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、4、6、7块中。 将十进制的逻辑地址3500转换为物理地址的地址转换图 4.3.2 地址变换机构 基本任务:实现从逻辑地址到物理地址的转换。
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2. 具有快表的地址变换机构
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4.3.3 两级和多级页表 当逻辑地址空间很大时,页表就变得非常大,要占用相当大的内存空间,且要求连续的内存空间 解决方法:
两级和多级页表 当逻辑地址空间很大时,页表就变得非常大,要占用相当大的内存空间,且要求连续的内存空间 解决方法: ★采用离散分配方式来解决难以找到一块连续的大内存空间的问题 ★只将当前需要的部分页表项调入内存, 其余的页表项仍驻留在磁盘上,需要时再调入。
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1. 两级页表(Two-Level Page Table)
对页表分页 逻辑地址结构可描述如下:
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两级页表结构
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两级页表地址变换机构
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2. 多级页表
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4.4 基本分段存储管理方式 4.4.1 分段存储管理方式的引入 引入分段存储管理方式, 主要是为了满足用户和程序员的下述一系列需要:
1) 方便编程 2) 信息共享 3) 信息保护 4) 动态增长 5) 动态链接
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分段系统的基本原理 1. 分段 分段地址中的地址具有如下结构: 段号 段内地址
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2. 段表
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3. 地址变换机构 段式存储器管理系统中,其段表如表所示,画出逻辑地址(2,100)的变换为物理地址的变换过程 段表 段号 内存起始地址
段长 40K 30K 1 80K 20K 2 120K 15K 3 150K 10K 3. 地址变换机构
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4. 分页和分段的主要区别 (1) 页是信息的物理单位,分页是为实现离散分配方式,以消减内存的外零头, 提高内存的利用率。或者说, 分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要。段则是信息的逻辑单位,它含有一组其意义相对完整的信息。 分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。
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4. 分页和分段的主要区别 (2) 页的大小固定且由系统决定,由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分,是由机器硬件实现的,因而在系统中只能有一种大小的页面;而段的长度却不固定, 决定于用户所编写的程序,通常由编译程序在对源程序进行编译时,根据信息的性质来划分。
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4. 分页和分段的主要区别 (3) 分页的作业地址空间是一维的,即单一的线性地址空间,程序员只需利用一个记忆符,即可表示一个地址; 而分段的作业地址空间则是二维的,程序员在标识一个地址时,既需给出段名, 又需给出段内地址。
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信息共享 分页系统中共享editor的示意图
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信息共享 分段系统中共享editor的示意图
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信息共享 可重入代码、纯代码:允许多个进程同时访问的代码,是一种不允许任何进程对它进行修改的代码
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段页式存储管理方式 1. 基本原理
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利用段表和页表实现地址映射
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2. 地址变换过程
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4.5 虚拟存储器的基本概念 4.5.1 虚拟存储器的引入 1. 常规存储器管理方式的特征 (1) 一次性。 (2) 驻留性。
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2. 局部性原理 早在1968年, Denning.P就曾指出: (1) 程序执行时, 除了少部分的转移和过程调用指令外, 在大多数情况下仍是顺序执行的。 (2) 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域, 但经研究看出,过程调用的深度在大多数情况下都不超过5。 (3) 程序中存在许多循环结构, 这些虽然只由少数指令构成, 但是它们将多次执行。 (4) 程序中还包括许多对数据结构的处理, 如对数组进行操作, 它们往往都局限于很小的范围内。
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2. 局部性原理 局限性又表现在下述两个方面: (1) 时间局限性 (2) 空间局限性
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3. 虚拟存储器定义 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。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定,其运行速度接近于内存速度,而每位的成本却又接近于外存
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4.5.2 虚拟存储器的实现方法 1. 分页请求系统 (1) 硬件支持 (2) 软件支持
① 请求分页的页表机制,它是在纯分页的页表机制上增加若干项而形成的,作为请求分页的数据结构 ② 缺页中断机构,即每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时 便产生一缺页中断,以请求OS将所缺的页调入内存; ③ 地址变换机构, 它同样是在纯分页地址变换机构的基础上发展形成的。
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2. 请求分段系统 硬件支持。 ① 请求分段的段表机制 ② 缺段中断机构 ③ 地址变换机构 (2) 软件支持
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虚拟存储器的特征 1. 多次性:最重要的特征 2. 对换性 3. 虚拟性
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4.6 请求分页存储管理方式 4.6.1 请求分页中的硬件支持 1. 页表机制 页号 物理块号 状态位P 访问字段A 修改位M 外存地址
4.6 请求分页存储管理方式 4.6.1 请求分页中的硬件支持 1. 页表机制 页号 物理块号 状态位P 访问字段A 修改位M 外存地址 指示该页是否已调入内存 记录本页在一段时间内被访问的次数,或记录本页最近已有多长时间未被访问,供选择换出页面时参考 该页在调入内存后是否被修改过,供置换页面时参考 指出该页在外存上的地址,供调入该页时参考
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2. 缺页中断机构 与一般中断相比的区别: 1、一般中断在指令执行完后,检查是否有中断,缺页中断是在指令执行期间 2、一条指令在执行期间,可能产生多次缺页中断
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请求分页中的地址变换过程 3. 地址变换机构
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4.6.2 内存分配策略和分配算法 1. 最小物理块数的确定
内存分配策略和分配算法 1. 最小物理块数的确定 进程应获得的最少物理块数与计算机的硬件结构有关,取决于指令的格式、 功能和寻址方式
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2. 物理块的分配策略 内存分配策略:固定和可变分配策略 置换策略:全局置换和局部置换 1) 固定分配局部置换(Fixed Allocation, Local Replacement) 2) 可变分配全局置换(Variable Allocation, Global Replacement) 3) 可变分配局部置换(Variable Allocation, Local Replacement)
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3. 物理块分配算法 1) 平均分配算法
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3. 物理块分配算法 2) 按比例分配算法 这是根据进程的大小按比例分配物理块的算法。如果系统中共有n个进程,每个进程的页面数为Si,则系统中各进程页面数的总和为: 又假定系统中可用的物理块总数为m,则每个进程所能分到的物理块数为bi,将有: b应该取整,它必须大于最小物理块数。
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3. 物理块分配算法 3) 考虑优先权的分配算法
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4.6.3 调页策略 1. 何时调入页面 (1) 预调页策略 (2) 请求调页策略
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2. 从何处调入页面 外存:文件区、对换区 (1) 系统拥有足够的对换区空间,这时可以全部从对换区调入所需页面,以提高调页速度
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2. 从何处调入页面 (2) 系统缺少足够的对换区空间,这时凡是不会被修改的文件,都直接从文件区调入;而当换出这些页面时,由于它们未被修改而不必再将它们换出,以后再调入时,仍从文件区直接调入。但对于那些可能被修改的部分,在将它们换出时,便须调到对换区,以后需要时,再从对换区调入。
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2. 从何处调入页面 (3) UNIX方式。由于与进程有关的文件都放在文件区,故凡是未运行过的页面,都应从文件区调入。而对于曾经运行过但又被换出的页面,由于是被放在对换区,因此在下次调入时,应从对换区调入。由于UNIX系统允许页面共享,因此, 某进程所请求的页面有可能已被其它进程调入内存,此时也就无须再从对换区调入。
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3. 页面调入过程 ★缺页中断 ★保留CPU环境 ★分析中断原因后, 转入缺页中断处理程序 ★缺页中断处理 ★访问内存数据
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4.7 页面置换算法 4.7.1 最佳置换算法和先进先出置换算法 1. 最佳(Optimal)置换算法
最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的, 或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法,通常可保证获得最低的缺页率。
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假定系统为某进程分配了三个物理块, 并考虑有以下的页面号引用串:
1. 最佳(Optimal)置换算法(例) 假定系统为某进程分配了三个物理块, 并考虑有以下的页面号引用串: 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1 引用序列 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1 7 F 7 F 7 1 F 2 1 F 2 1 2 3 F 2 3 2 4 3 F 2 4 3 2 4 3 2 3 F 2 3 2 3 2 1 F 2 1 2 1 2 1 7 1 F 7 1 7 1 缺页标志 缺页9次,总访问次数20次,缺页率9/20=45%
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2. 先进先出(FIFO)页面置换算法 缺页15次,总访问次数20次,缺页率15/20=75%
引用序列 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1 7 F 7 F 7 1 F 2 1 F 2 1 2 3 1 F 2 3 F 4 3 F 4 2 F 4 2 3 F 2 3 F 2 3 2 3 1 3 F 1 2 F 1 2 1 2 7 1 2 F 7 2 F 7 1 F 缺页标志 缺页15次,总访问次数20次,缺页率15/20=75%
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4.7.2 最近最久未使用(LRU)置换算法 1. LRU(Least Recently Used)置换算法的描述
引用序列 7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1 7 F 7 F 7 1 F 2 1 F 2 1 2 3 F 2 3 4 3 F 4 2 F 4 3 2 F 3 2 F 3 2 3 2 1 3 2 F 1 3 2 1 2 F 1 2 1 7 F 1 7 1 7 缺页标志 缺页12次,总访问次数20次,缺页率12/20=60%
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2. LRU置换算法的硬件支持 1)寄存器 2) 栈
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Clock置换算法 1. 简单的Clock置换算法
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2. 改进型Clock置换算法 由访问位A和修改位M可以组合成下面四种类型的页面: 1类(A=0, M=0): 表示该页最近既未被访问,又未被修改, 是最佳淘汰页。 2类(A=0, M=1): 表示该页最近未被访问,但已被修改, 并不是很好的淘汰页。 3类(A=1, M=0): 最近已被访问, 但未被修改,该页有可能再被访问。 4类(A=1, M=1): 最近已被访问且被修改,该页可能再被访问。
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执行过程 (1) 从指针所指示的当前位置开始, 扫描循环队列, 寻找A=0且M=0的第一类页面, 将所遇到的第一个页面作为所选中的淘汰页。 在第一次扫描期间不改变访问位A; (2) 如果第一步失败,即查找一周后未遇到第一类页面, 则开始第二轮扫描,寻找A=0且M=1的第二类页面,将所遇到的第一个这类页面作为淘汰页。在第二轮扫描期间,将所有扫描过的页面的访问位都置0; (3) 如果第二步也失败,亦即未找到第二类页面,则将指针返回到开始的位置,并将所有的访问位复0。 然后重复第一步,如果仍失败,必要时再重复第二步,此时就一定能找到被淘汰的页。
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4.7.4 其它置换算法 1)最少使用(LFU: Least Frequently Used)置换算法
其它置换算法 1)最少使用(LFU: Least Frequently Used)置换算法 2)页面缓冲算法(PBA: Page Buffering Algorithm)
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记录该段被访问的频繁程度(与分页相应字段同) 该段在调入内存后是否被修改过,供置换时参考 指示本段是否已调入内存,供程序访问时参考
4.8 请求分段存储管理方式 4.8.1 请求分段中的硬件支持 1. 段表机制 段名 段长 段的基址 存取方式 访问字段A 修改位M 存在位P 增补位 外存始址 标志本分段的存取属性 记录该段被访问的频繁程度(与分页相应字段同) 该段在调入内存后是否被修改过,供置换时参考 指示本段是否已调入内存,供程序访问时参考 本段在运行过程中,是否做过动态增长 本段在外存中的起始地址
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2. 缺段中断机构
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3. 地址变换机构 请求分段系统的地址变换过程
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4.8.2 分段的共享与保护 1. 共享段表
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2. 共享段的分配与回收
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3. 分段保护 1) 越界检查 2) 存取控制检查 ★只读 ★只执行 ★读/写 3) 环保护机构 一个程序可以访问驻留在相同环或较低特权环中的数据。 一个程序可以调用驻留在相同环或较高特权环中的服务。
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附录:Windows2000/XP的存储器管理 0、简介 ★Windows 2000/XP的内存管理模由内存管理模块负责
★内存管理程序主要由3部分组成 ◆系统服务程序:用于虚拟内存的分配、回收和管理 ◆转换无效和访问错误陷阱处理程序 ◆运行在6个不同核心系统线程上下文中的关键组件
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1、Windows2000/XP的虚地址映射 默认情况下,32位Windows2000/XP系统提供4G的地址空间,其中用户进程可以占用2G的私有地址空间,操作系统自身占用2G地址空间。 默认虚地址空间组成: ★0x 到0x0000FFFF:保留区域,用于帮助程序员避免错误的指针应用 ★0x 到0x7FFEFFFF:用于进程可使用的地址空间,被划分为大小相同的页 ★0x7FFF0000到0x7FFFFFFF:用于内存保护,用户不能访问 ★0x 到0xFFFFFFFF:系统地址空间,共计2G内存空间,用于存储Windows2000/XP的执行程序、微内核和设备驱动程序等
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2、Windows2000/XP中进程页面的状态 ★采用分页管理技术管理系统内存
★空闲:当前页面没有被进程使用 ★保留:应用程序可以首先保留地址空间,然后向地址空间提交物理页面。保留地址空间是一段连续的虚拟地址空间,可以很快将被使用,也可能将来才会被使用,一个线程的保留地址空间不能被其它线程使用。保留地址空间在分配给进程使用之前,不计入进程的存储器分配额 ★提交:当保留页面被进程使用以后,系统将其中的内容从内存写出到磁盘文件时,页面所处的状态
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3、Windows2000/XP分页系统的数据结构与地址变换
★采用二级页表结构 ★支持快表
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4、Windows2000/XP的内存分配技术 ★对于系统内存空间和应用程序占用的用户空间分别采用不同的内存分配技术
★用户空间:根据应用程序类型,分别采用三种不同的存储分配技术 ☆大型对象或结构数组:采用以页为单位的虚拟内存分配方法 ☆大型数据流文件或多个进程之间的共享数据:采用内存映射文件的方法 ☆小型内存申请:采用内存堆栈方法 ★系统空间:系统初始化时,内存管理程序创建两种动态大小的内存缓冲池:非分页缓冲池和分页缓冲池 ☆非分页缓冲池:由常驻物理内存的系统虚拟地址区域组成 ☆分页缓冲池:系统空间中可以被分页和换出的虚拟内存区域 ★同时提供一种快速内存分配机制,称后备链表。缓冲池大小可以动态改变,而后备链表仅包含固定长度的块
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5、Windows2000/XP的缺页中断处理过程
引起缺页错误的情况: ★进程访问的页面在磁盘上的某个页文件或映射文件中,尚未进入内存。处理:为进程分配一个物理页框,将所需的页面从外存装入,并放入进程的工作集 ★所访问的页面在后备链表或修改链表中。处理:将该页移到进程或系统的工作集中 ★所访问的页面不包含在进程页目录中,但该页面存在于系统空间且有效。处理:从主系统页目录结构复制相应的页目录项,并消除异常 ★对于一个写时复制的页面执行写操作。处理:为进程复制一个私有页面备份 ★几类属于非法访问的操作:访问的页面尚未提交;在用户态访问一个仅允许在核心访问的页面;对一个只读页面执行写操作;对于一个写保护页面执行写操作等。 缺页时,发生缺页中断,启动I/O
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6、Windows2000/XP的页面调度策略 ★采用请求调页技术,并以簇为单位装入页面
★线程发生缺页中断时,内存管理程序还必须确定将新装入的页面放置在内存的什么位置(置页策略) ★到多处理机系统中,采用局部“先进先出”页面置换策略;单处理机系统中,采用了类似“最近最久未用LRU”页面置换策略 ★工作集管理:可变分配、局部置换的策略
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