内存空间3种扩容方式（含虚拟内存）

内存空间扩容

思考：GTA游戏60GB，讲道理运行前应该把60GB数据放入内存，然而我的电脑只有4GB，但是为什么游戏可以正常运行？

1.覆盖技术（单个进程）

1. 覆盖技术的思想：将程序分为多个段（多个模块）。 常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。

2. 一个固定区
   存放最活跃的程序段
   分配在固定区的程序段，在运行过程中就不会调入调出（内存<->外存）

3. 若干个覆盖区
   层级相同的模块程序代码共享一个覆盖区
   在运行过程中根据需要调入调出

4. 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。

5. 缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担，现在的程序代码很难分层

注意：覆盖是在同一个程序或者说同一个进程发生的

2.交换技术（不同进程）

1. 交换（对换）技术的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中 某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

2. 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

3. 几个需要解决的问题

   1. 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？
      具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。
      文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采 用离散分配方式；
      对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。
   2. 什么时候应该交换？
      交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。例如：在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程； 如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
   3. 应该换出哪些进程？
      可优先换出阻塞进程；可换出优先级低的进程；为了防止优先级低的进程在被调 入内存后很快又被换出，有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间

4. 交换是在不同进程或者说不同作业之间发生的

注意：PCB 会常驻内存，不会被换出外存

3.虚拟技术（最复杂）

3.1.虚拟内存的基本概念

下面只针对请求分页存储管理展开

3.2.请求分页管理方式

1. 页表机制
   • 在基本分页的基础上增加了几个表项
   • 状态位，表示页表是否已经在内存中
   • 访问字段，记录最近被访问的次数，或者记录上次访问的时间，是给置换算法选择换出页面做参考
   • 修改位，表示页面调入内存后，（代码）有没有被修改过，只有修改过的页面才会在置换的时候写回外存
   • 外存地址，页面在外存中存放的位置
2. 缺页中断机构
   1. 当找到页表项后，根据状态位判断页面是否在内存，若不在内存中，则产生缺页中断
   2. 缺页中断处理后，目标页面会被调入到内存，若当前内存分配的已满，则需要换出老页面
   3. 缺页中断属于内中断，属于内中断里的故障，就是会被系统修复的异常，此时缺页的进程阻塞，放入阻塞队列，调页完成后再将其唤醒，放回就绪队列。
   4. 一条指令在执行过程中，可能会产生多次缺页中断
3. 地址变换机构
   • 找到页表项（页表会记录所有页面分配情况），检查页面是否在内存中
   • 若页面不再内存中，需要请求调页
   • 若内存空间不够，需要换出老页面（页面置换算法，下面补充）
   • 页面调入内存后，记得修改相应的页表项

3.3.页面置换算法

1. 背景
   请求分页存储管理与基本分页存储管理的主要区别： 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。

2. 最佳置换算法OPT(optimal)

   • 优先置换最长时间内不会被访问的页面
   • 缺页率最小，性能最好，但是无法预判后面访问的页面也就无法实现

3. 先进先出置换算法FIFO（first input first output）

   • 优先淘汰最先进入内存的页面
   • 实现简单，但是性能很差，往往最先进入的页面需要多次访问
   • 可能出现Belady异常
   • Belady 异常——当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增的异常现象。

4. 最近最久未使用置换算法LRU（least recently）

   • 前提：内存块已经塞满页面，页表记录有最近访问时间戳
   • 优先淘汰最久没有访问页面（页表有最近访问时间戳）
   • 性能很好，但是需要硬件支持，算法开销大

5. 时钟置换算法clock

   • 前提：内存块塞满了页面，并且此时页面访问位都是=1
   • 循环扫描每个页面
     • 第一轮先找到访问位=0的页面，置换新页面，并将扫描过的页面改成访问位=0，若第一轮没有选中，则进行第二轮扫描（第二轮扫中一定会有访问位为0的页面）
   • 实现简单，算法开销小，但是没有考虑页面有没有被修改

6. 改进型的时钟置换算法

   • {访问位，修改位}，访问的页面比修改的页面更值得留下

   • 前提：内存块塞满了页面，并且此时页面访问位都是=1，修改位未知

     第一优先级，最近没访问，最近没修改
     第二优先级，最近没访问，最近有修改
     第三优先级，最近有访问，最近没修改
     第四优先级，最近有访问，最近有修改
     算法开销小，性能也还不错

3.4.页面分配策略

背景：我们已经知道请求分页管理方式，页面置换算法，那怎么知道进程需要分配多少物理块呢？

1. 概念

   • 驻留集
     • 指请求分页存储管理中给进程分配的物理块的集合。
     • 驻留集大小一般小于进程的总大小
     • 若驻留集太小，会导致缺页频繁，系统要花大量的时间来处理缺页，实际用于进程推进的时间很少； 驻留集太大，又会导致多道程序并发度下降，资源利用率降低
   • 固定分配
     操作系统为每个进程分配一组固定数目的物理块，在进程运行期间不再改变。即，驻留集 大小不变
   • 可变分配
     先为每个进程分配一定数目的物理块，在进程运行期间，可根据情况做适当的增加或减少。 即，驻留集大小可变
   • 局部置换
     发生缺页时只能选进程自己的物理块进行置换。
   • 全局置换
     可以将操作系统保留的空闲物理块分配给缺页进程，也可以将别的进程持有的物理块置换 到外存，再分配给缺页进程。

2. 页面分配、置换策略

   • 固定分配局部置换
     进程运行前就分配一定数量物理块，缺页的时候只能换出进程自己的某一页
   • 可变分配全局置换
     只要缺页就分配新的物理块，可能来自空闲物理块，也可能需要换出其他进程的页面
   • 可变分配局部置换
     频繁缺页的进程，多分配一些物理块；缺页率很低的进程，回收一些物理块，直到缺页率合适

3. 调入页面的时机

   • 预调页策略，一般用于进程运行前
   • 请求调页策略，进程运行时，发现缺页再调页

4. 从何处调页（外存->内存）

   1. 对换区，采用连续连续，文件区，采用离散存储方式
   2. 对换区足够大，运行将数据从文件区复制到对换区，之后所有页面调入和调出都是内存与对换区之间进行
   3. 对换区不够大，不会被修改的文件，直接从文件区取出；会修改的文件先放到调换区，有需要时再从对换区调入
   4. UNIX方式，第一次使用的页面都是从文件区调入；调出的页面都需要写回对换区，再次使用时从对接区调入

5. 抖动现象
   页面频繁换入换出，主要原因是分配给进程的物理块不够

6. 工作集
   在某段时间间隔内，进程实际访问页面的集合，驻留集一般不能小于工作集大小