虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)方法有3種:1、請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式;2、請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理方式;3、段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方式。不管哪種方式,都需要有一定的硬件支持:1、一定容量的內(nèi)存和外存;2、頁(yè)表機(jī)制(或段表機(jī)制),作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);3、中斷機(jī)構(gòu),當(dāng)用戶程序要訪問(wèn)的部分尚未調(diào)入內(nèi)存,則產(chǎn)生中斷;4、地址變換機(jī)構(gòu),邏輯地址到物理地址的變換。
程序員必備接口測(cè)試調(diào)試工具:立即使用
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后端、前端、測(cè)試,同時(shí)在線協(xié)作,內(nèi)容實(shí)時(shí)同步
本教程操作環(huán)境:linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。
1. 虛擬內(nèi)存概述
傳統(tǒng)存儲(chǔ)管理方式同時(shí)將多個(gè)進(jìn)程保存在內(nèi)存中以便允許多道程序設(shè)計(jì)。它們都具有以下兩個(gè)共同的特征:
- 一次性: 作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后,方能開(kāi)始運(yùn)行。這會(huì)導(dǎo)致兩種情況發(fā)生:
1)當(dāng)作業(yè)很大,不能全部被裝入內(nèi)存時(shí),將使該作業(yè)無(wú)法運(yùn)行;
2)當(dāng)大量作業(yè)要求運(yùn)行時(shí),由于內(nèi)存不足以容納所有作業(yè),只能使少數(shù)作業(yè)先運(yùn)行,導(dǎo)致多道程序度的下降。- 駐留性: 作業(yè)被裝入內(nèi)存后,就一直駐留在內(nèi)存中,其任何部分都不會(huì)被換出,直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。運(yùn)行中的進(jìn)程,會(huì)因等待 I/O 而被阻塞,可能處于長(zhǎng)期等待狀態(tài)。
因此,許多在程序運(yùn)行中不用或暫時(shí)不用的程序(數(shù)據(jù))占據(jù)了大量的內(nèi)存空間,而一些需要運(yùn)行的作業(yè)又無(wú)法裝入運(yùn)行,顯然浪費(fèi)了寶貴的內(nèi)存資源。
1.1 虛擬存儲(chǔ)器的定義和特征
基于局部性原理,在程序裝入時(shí),可以將程序的一部分裝入內(nèi)存,而將其余部分留在外存,就可以啟動(dòng)程序執(zhí)行。在程序執(zhí)行過(guò)程中,當(dāng)所訪問(wèn)的信息不在內(nèi)存時(shí),由操作系統(tǒng)將所需要的部分調(diào)入內(nèi)存,然后繼續(xù)執(zhí)行程序。另一方面,操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的內(nèi)容換出到外存上,從而騰出空間存放將要調(diào)入內(nèi)存的信息。
這樣,由于系統(tǒng)提供了部分裝入、請(qǐng)求調(diào)入和置換功能后(對(duì)用戶完全透明),給用戶的感覺(jué)是好像存在一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大得多的存儲(chǔ)器,稱為虛擬存儲(chǔ)器。
虛擬存儲(chǔ)器的大小由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)決定,并非是內(nèi)存和外存的簡(jiǎn)單相加。
虛擬存儲(chǔ)器有以下三個(gè)主要特征:
- 多次性:無(wú)需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一次性地全部裝入內(nèi)存,而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。
- 對(duì)換性:無(wú)需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一直常駐內(nèi)存,而是允許在作業(yè)的運(yùn)行過(guò)程中,進(jìn)行換進(jìn)和換出。
- 虛擬性:從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存的容量,使用戶所看到的內(nèi)存容量,遠(yuǎn)大于實(shí)際的內(nèi)存容量。
1.2 虛擬內(nèi)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
虛擬內(nèi)存中,允許將一個(gè)作業(yè)分多次調(diào)入內(nèi)存。
釆用連續(xù)分配方式時(shí),會(huì)使相當(dāng)一部分內(nèi)存空間都處于暫時(shí)或“永久”的空閑狀態(tài),造成內(nèi)存資源的嚴(yán)重浪費(fèi),而且也無(wú)法從邏輯上擴(kuò)大內(nèi)存容量。
因此,虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上。虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)有以下三種方式:
- 請(qǐng)求分頁(yè)存儲(chǔ)管理
- 請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理
- 段頁(yè)式存儲(chǔ)管理
不管哪種方式,都需要有一定的硬件支持。一般需要的支持有以下幾個(gè)方面:
- 一定容量的內(nèi)存和外存。
- 頁(yè)表機(jī)制(或段表機(jī)制),作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
- 中斷機(jī)構(gòu),當(dāng)用戶程序要訪問(wèn)的部分尚未調(diào)入內(nèi)存,則產(chǎn)生中斷。
- 地址變換機(jī)構(gòu),邏輯地址到物理地址的變換。
連續(xù)分配方式:指為一個(gè)用戶程序分配一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間。
- 固定分區(qū)分配:將內(nèi)存空間劃分為若干個(gè)固定大小的區(qū)域,在每個(gè)分區(qū)中只裝入一道作業(yè),便可以有多道作業(yè)并發(fā)執(zhí)行。缺乏靈活性,會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)部碎片,內(nèi)存的利用率很低。
- 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配:根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際需要,動(dòng)態(tài)地為之分配內(nèi)存空間。作業(yè)裝入內(nèi)存時(shí),把可用內(nèi)存分出一個(gè)連續(xù)區(qū)域給作業(yè),且分區(qū)的大小正好合適作業(yè)大小的需要。會(huì)產(chǎn)生很多外部碎片。
離散分配方式:將一個(gè)進(jìn)程分散地裝入到許多不相鄰的分區(qū)中,便可充分地利用內(nèi)存。
分頁(yè)存儲(chǔ)的概念:
- 頁(yè)面、頁(yè)框和塊。進(jìn)程中的塊稱為頁(yè)或頁(yè)面(Page),具有頁(yè)號(hào);內(nèi)存中的塊稱為頁(yè)框(Page Frame,頁(yè)框=內(nèi)存塊=物理塊=物理頁(yè)面),具有頁(yè)框號(hào)。外存也以同樣的單位進(jìn)行劃分,直接稱為塊(Block)。進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)需要申請(qǐng)主存空間,就是要為每個(gè)頁(yè)面分配主存中的可用頁(yè)框,這就產(chǎn)生了頁(yè)和頁(yè)框的一一對(duì)應(yīng)。各個(gè)頁(yè)面不必連續(xù)存放,可以放到不相鄰的各個(gè)頁(yè)框中。
- 地址結(jié)構(gòu):前一部分為頁(yè)號(hào)P,后一部分為頁(yè)內(nèi)偏移量W。地址長(zhǎng)度為32 位,其中0~11位為頁(yè)內(nèi)地址,即每頁(yè)大小為4KB;12~31位為頁(yè)號(hào),地址空間最多允許有2^20頁(yè)。
- 頁(yè)表。為了便于在內(nèi)存中找到進(jìn)程的每個(gè)頁(yè)面所對(duì)應(yīng)的物理塊,系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程建立一張頁(yè)表,記錄頁(yè)面在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào),頁(yè)表一般存放在內(nèi)存中。在配置了頁(yè)表后,進(jìn)程執(zhí)行時(shí),通過(guò)查找該表,即可找到每頁(yè)在內(nèi)存中的物理塊號(hào)??梢?jiàn),頁(yè)表的作用是實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。
2. 請(qǐng)求分頁(yè)管理方式實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存
請(qǐng)求分頁(yè)是目前最常用的一種實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)器的方法。
請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)建立在基本分頁(yè)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,為了支持虛擬存儲(chǔ)器功能而增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)功能和頁(yè)面置換功能。
在請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)中,只要求將當(dāng)前需要的一部分頁(yè)面裝入內(nèi)存,便可以啟動(dòng)作業(yè)運(yùn)行。
在作業(yè)執(zhí)行過(guò)程中,當(dāng)所要訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí),再通過(guò)調(diào)頁(yè)功能將其調(diào)入,同時(shí)還可以通過(guò)置換功能將暫時(shí)不用的頁(yè)面換出到外存上,以便騰出內(nèi)存空間。
為了實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求分頁(yè),系統(tǒng)必須提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的內(nèi)存及外存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),還需要有頁(yè)表機(jī)制、缺頁(yè)中斷機(jī)構(gòu)、地址變換機(jī)構(gòu)。
2.1 頁(yè)表機(jī)制
請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)的頁(yè)表機(jī)制不同于基本分頁(yè)系統(tǒng),請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)在一個(gè)作業(yè)運(yùn)行之前不要求全部一次性調(diào)入內(nèi)存。
因此在作業(yè)的運(yùn)行過(guò)程中,必然會(huì)出現(xiàn)要訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存的情況,如何發(fā)現(xiàn)和處理這種情況是請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)必須解決的兩個(gè)基本問(wèn)題。為此,在請(qǐng)求頁(yè)表項(xiàng)中增加了四個(gè)字段,分別為:
頁(yè)號(hào) | 物理塊號(hào) | 狀態(tài)位 P | 訪問(wèn)字段 A | 修改位 M | 外存地址 |
- 狀態(tài)位 P:用于指示該頁(yè)是否已調(diào)入內(nèi)存,供程序訪問(wèn)時(shí)參考。
- 訪問(wèn)字段 A:用于記錄本頁(yè)在一段時(shí)間內(nèi)被訪問(wèn)的次數(shù),或記錄本頁(yè)最近己有多長(zhǎng)時(shí)間未被訪問(wèn),供置換算法換出頁(yè)面時(shí)參考。
- 修改位 M:標(biāo)識(shí)該頁(yè)在調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過(guò)。
- 外存地址:用于指出該頁(yè)在外存上的地址,通常是物理塊號(hào),供調(diào)入該頁(yè)時(shí)參考。
2.2 缺頁(yè)中斷機(jī)構(gòu)
在請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)中,每當(dāng)所要訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí),便產(chǎn)生一個(gè)缺頁(yè)中斷,請(qǐng)求操作系統(tǒng)將所缺的頁(yè)調(diào)入內(nèi)存。
此時(shí)應(yīng)將缺頁(yè)的進(jìn)程阻塞(調(diào)頁(yè)完成喚醒),如果內(nèi)存中有空閑塊,則分配一個(gè)塊,將要調(diào)入的頁(yè)裝入該塊,并修改頁(yè)表中相應(yīng)頁(yè)表項(xiàng);若此時(shí)內(nèi)存中沒(méi)有空閑塊,則要淘汰某頁(yè)(若被淘汰頁(yè)在內(nèi)存期間被修改過(guò),則要將其寫(xiě)回外存)。
缺頁(yè)中斷作為中斷同樣要經(jīng)歷,諸如保護(hù)CPU環(huán)境、分析中斷原因、轉(zhuǎn)入缺頁(yè)中斷處理程序、恢復(fù)CPU環(huán)境等幾個(gè)步驟。但與一般的中斷相比,它有以下兩個(gè)明顯的區(qū)別:
- 在指令執(zhí)行期間產(chǎn)生和處理中斷信號(hào),而非一條指令執(zhí)行完后,屬于內(nèi)部中斷。
- 一條指令在執(zhí)行期間,可能產(chǎn)生多次缺頁(yè)中斷。
2.3 地址變換機(jī)構(gòu)
請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)中的地址變換機(jī)構(gòu),是在分頁(yè)系統(tǒng)地址變換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存,又增加了某些功能而形成的。

在進(jìn)行地址變換時(shí),先檢索快表:
- 若找到要訪問(wèn)的頁(yè),便修改頁(yè)表項(xiàng)中的訪問(wèn)位(寫(xiě)指令則還須重置修改位),然后利用頁(yè)表項(xiàng)中給出的物理塊號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址形成物理地址。
- 若未找到該頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng),應(yīng)到內(nèi)存中去查找頁(yè)表,再對(duì)比頁(yè)表項(xiàng)中的狀態(tài)位P,看該頁(yè)是否已調(diào)入內(nèi)存,未調(diào)入則產(chǎn)生缺頁(yè)中斷,請(qǐng)求從外存把該頁(yè)調(diào)入內(nèi)存。
頁(yè)表指出邏輯地址中的頁(yè)號(hào)與所占主存物理塊號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。頁(yè)式存儲(chǔ)管理在用動(dòng)態(tài)重定位方式裝入作業(yè)時(shí),要利用頁(yè)表做地址轉(zhuǎn)換工作。
快表(TLB,Translation Lookaside Buffer)就是存放在高速緩沖存儲(chǔ)器的部分頁(yè)表。作為當(dāng)前進(jìn)程頁(yè)表的Cache,它的作用與頁(yè)表相似,但加快了地址映射速度,提高了訪問(wèn)速率。
由于采用頁(yè)表做地址轉(zhuǎn)換,讀寫(xiě)內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)CPU要訪問(wèn)兩次主存(查詢頁(yè)表、訪問(wèn)目的地址)。
有了快表,有時(shí)只要訪問(wèn)一次高速緩沖存儲(chǔ)器,一次主存,這樣可加速查找并提高指令執(zhí)行速度。
3. 頁(yè)面置換算法
進(jìn)程運(yùn)行時(shí),若其訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存而需將其調(diào)入,但內(nèi)存已無(wú)空閑空間時(shí),就需要從內(nèi)存中調(diào)出一頁(yè)程序或數(shù)據(jù),送入磁盤(pán)的對(duì)換區(qū)。
選擇調(diào)出頁(yè)面的算法就稱為頁(yè)面置換算法。好的頁(yè)面置換算法應(yīng)有較低的頁(yè)面更換頻率,也就是說(shuō),應(yīng)將以后不會(huì)再訪問(wèn)或者以后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)再訪問(wèn)的頁(yè)面先調(diào)出。
3.1 最佳置換算法(OPT)
最佳(Optimal, OPT)置換算法所選擇的被淘汰頁(yè)面將是以后永不使用的,或者是在最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不再被訪問(wèn)的頁(yè)面,這樣可以保證獲得最低的缺頁(yè)率。
但由于人們目前無(wú)法預(yù)知進(jìn)程在內(nèi)存下的若千頁(yè)面中哪個(gè)是未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不再被訪問(wèn)的,因而該算法無(wú)法實(shí)現(xiàn),但最佳置換算法可以用來(lái)評(píng)價(jià)其他算法。
假定系統(tǒng)為某進(jìn)程分配了三個(gè)物理塊,并考慮有以下頁(yè)面號(hào)引用串:
7, 0, 1, 2, 0, 3, 0, 4, 2, 3, 0, 3, 2, 1, 2, 0, 1, 7, 0, 1
進(jìn)程運(yùn)行時(shí),先將7, 0, 1三個(gè)頁(yè)面依次裝入內(nèi)存。進(jìn)程要訪問(wèn)頁(yè)面2時(shí),產(chǎn)生缺頁(yè)中斷,根據(jù)最佳置換算法,選擇第18次訪問(wèn)才需調(diào)入的頁(yè)面7予以淘汰。然后,訪問(wèn)頁(yè)面0時(shí),因?yàn)橐言趦?nèi)存中所以不必產(chǎn)生缺頁(yè)中斷。訪問(wèn)頁(yè)面3時(shí)又會(huì)根據(jù)最佳置換算法將頁(yè)面1淘汰……依此類(lèi)推。從圖中可以看出釆用最佳置換算法時(shí)的情況。
訪問(wèn)頁(yè)面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
物理塊1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 7 | |||||||||||
物理塊2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4 | 0 | 0 | 0 | ||||||||||||
物理塊3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 1 | 1 | |||||||||||||
缺頁(yè)否 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
可以看到,發(fā)生缺頁(yè)中斷的次數(shù)為9,頁(yè)面置換的次數(shù)為6。
3.2 先進(jìn)先出(FIFO)頁(yè)面置換算法
優(yōu)先淘汰最早進(jìn)入內(nèi)存的頁(yè)面,亦即在內(nèi)存中駐留時(shí)間最久的頁(yè)面。
該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,只需把調(diào)入內(nèi)存的頁(yè)面根據(jù)先后次序鏈接成隊(duì)列,設(shè)置一個(gè)指針總指向最早的頁(yè)面。但該算法與進(jìn)程實(shí)際運(yùn)行時(shí)的規(guī)律不適應(yīng),因?yàn)樵谶M(jìn)程中,有的頁(yè)面經(jīng)常被訪問(wèn)。
訪問(wèn)頁(yè)面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
物理塊1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 0 | 0 | 0 | 7 | 7 | 7 | |||||
物理塊2 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | ||||||
物理塊3 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 1 | |||||||
缺頁(yè)否 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
利用FIFO算法時(shí)進(jìn)行了 12 次頁(yè)面置換,比最佳置換算法正好多一倍。
FIFO算法還會(huì)產(chǎn)生當(dāng)所分配的物理塊數(shù)增大而頁(yè)故障數(shù)不減反增的異?,F(xiàn)象,這是由 Belady于1969年發(fā)現(xiàn),故稱為Belady異常,如下表所示。
訪問(wèn)頁(yè)面 | 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
物理塊1 | 1 | 1 | 1 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | |||
物理塊2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3 | ||||
物理塊3 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 4 | |||||
缺頁(yè)否 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | |||
增加物理塊數(shù)后對(duì)比 | ||||||||||||
物理塊1* | 1 | 1 | 1 | 1 | 5 | 5 | 5 | 5 | 4 | 4 | ||
物理塊2* | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 5 | |||
物理塊3* | 3 | 3 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 2 | ||||
物理塊4* | 4 | 4 | 4 | 4 | 3 | 3 | 3 | |||||
缺頁(yè)否 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
只有FIFO算法可能出現(xiàn)Belady異常,而LRU和OPT算法永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)Belady異常。
3.3 最近最久未使用(LRU)置換算法
最近最久未使用(LRU,Least Recently Used)置換算法選擇最近最長(zhǎng)時(shí)間未訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面予以淘汰,它認(rèn)為過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)未訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面,在最近的將來(lái)可能也不會(huì)被訪問(wèn)。
該算法為每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)訪問(wèn)字段,來(lái)記錄頁(yè)面自上次被訪問(wèn)以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間,淘汰頁(yè)面時(shí)選擇現(xiàn)有頁(yè)面中值最大的予以淘汰。
訪問(wèn)頁(yè)面 | 7 | 0 | 1 | 2 | 0 | 3 | 0 | 4 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0 | 1 | 7 | 0 | 1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
物理塊1 | 7 | 7 | 7 | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 | 0 | 1 | 1 | 1 | ||||||||
物理塊2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 | 3 | 0 | 0 | |||||||||
物理塊3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 7 | ||||||||||
缺頁(yè)否 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
LRU性能較好,但需要寄存器和棧的硬件支持,開(kāi)銷(xiāo)更大。
LRU是堆棧類(lèi)的算法。理論上可以證明,堆棧類(lèi)算法不可能出現(xiàn)Belady異常。FIFO算法基于隊(duì)列實(shí)現(xiàn),不是堆棧類(lèi)算法。
3.4 時(shí)鐘(CLOCK)置換算法
LRU算法的性能接近于OPT,但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難,且開(kāi)銷(xiāo)大;FIFO算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但性能差。所以操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者嘗試了很多算法,試圖用比較小的開(kāi)銷(xiāo)接近LRU的性能,這類(lèi)算法都是CLOCK算法的變體。
簡(jiǎn)單的CLOCK算法是給每一幀關(guān)聯(lián)一個(gè)附加位,稱為使用位。當(dāng)某一頁(yè)首次裝入主存,以及后續(xù)被訪問(wèn)時(shí),使用位被置為1。
對(duì)于頁(yè)替換算法,用于替換的候選幀集合看做一個(gè)循環(huán)緩沖區(qū),并且有一個(gè)指針與之相關(guān)聯(lián)。當(dāng)某一頁(yè)被替換時(shí),該指針被設(shè)置成指向緩沖區(qū)中的下一幀。
當(dāng)需要替換一頁(yè)時(shí),操作系統(tǒng)掃描緩沖區(qū),以查找第一個(gè)使用位為0的一幀。每當(dāng)遇到一個(gè)使用位為1的幀時(shí),操作系統(tǒng)就將該位重新置為0;如果所有幀的使用位均為1,則指針在緩沖區(qū)中完整地循環(huán)一周,把所有使用位都置為0,并且停留在最初的位置上,替換該幀中的頁(yè)。由于該算法循環(huán)地檢查各頁(yè)面的情況,故稱為CLOCK算法,又稱為最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。
CLOCK算法的性能比較接近LRU,而通過(guò)增加使用的位數(shù)目,可以使得CLOCK算法更加高效。在使用位used的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)修改位modified,則得到改進(jìn)型的CLOCK置換算法。
每一幀都處于以下四種情況之一:
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最近未被訪問(wèn),也未被修改(u=0, m=0)。
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最近被訪問(wèn),但未被修改(u=1, m=0)。
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最近未被訪問(wèn),但被修改(u=0, m=1)。
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最近被訪問(wèn),被修改(u=1, m=1)。
算法執(zhí)行如下操作步驟:
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從指針的當(dāng)前位置開(kāi)始,掃描幀緩沖區(qū)。在這次掃描過(guò)程中,對(duì)使用位不做任何修改。選擇遇到的第一個(gè)幀(u=0, m=0)用于替換。
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如果第1步失敗,則重新掃描,查找(u=0, m=1)的幀。選擇遇到的第一個(gè)這樣的幀用于替換。在這個(gè)掃描過(guò)程中,對(duì)每個(gè)跳過(guò)的幀,把它的使用位設(shè)置成0。
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如果第2步失敗,指針將回到它的最初位置,并且集合中所有幀的使用位均為0。重復(fù)第1步,并且如果有必要,重復(fù)第2步。這樣將可以找到供替換的幀。
改進(jìn)型的CLOCK算法優(yōu)于簡(jiǎn)單CLOCK算法之處在于替換時(shí)首選沒(méi)有變化的頁(yè)。由于修改過(guò)的頁(yè)在被替換之前必須寫(xiě)回,因而這樣做會(huì)節(jié)省時(shí)間。
4. 頁(yè)面分配策略
4.1 駐留集大小
對(duì)于分頁(yè)式的虛擬內(nèi)存,在準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí),不需要也不可能把一個(gè)進(jìn)程的所有頁(yè)都讀取到主存,因此,操作系統(tǒng)必須決定讀取多少頁(yè)。也就是說(shuō),給特定的進(jìn)程分配多大的主存空間,這需要考慮以下幾點(diǎn):
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分配給一個(gè)進(jìn)程的存儲(chǔ)量越小,在任何時(shí)候駐留在主存中的進(jìn)程數(shù)就越多,從而可以提高處理機(jī)的時(shí)間利用效率。
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如果一個(gè)進(jìn)程在主存中的頁(yè)數(shù)過(guò)少,盡管有局部性原理,頁(yè)錯(cuò)誤率仍然會(huì)相對(duì)較高。
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如果頁(yè)數(shù)過(guò)多,由于局部性原理,給特定的進(jìn)程分配