操作系统 第九章

按需调页，使用懒惰交换->只有在需要页时，才调入内存，
交换程序(swapper)对整个进程进行操作
调页程序(pager)只是对进程的单个页进行操作

对标记为无效的访问会产生页错误陷阱

纯粹按需调页(pure demand paging)

一条指令可能访问多个页的内存（一页用于指令，其它页用于数据）则一页可能产生多个页错误， 不好的系统性能。 局部引用（locality of reference）

页表：有效无效位
次级存储器 ：用来保存不在内存中的页， 快速磁盘，交换设备， 用于交换的这部分磁盘称为交换空间(swap space)

请求调页的关键要求 ：能够在页错误后重新执行指令， 在出现页错误时，保存中断进程的状态（寄存器， 条件代码， 指令计数器）

若页错误出现在指令获取时， 可以再次获取指令
若出现在获取操作数时， 那么可以再次获取指令， 再次译码指令，然后再次获取操作数。

9.2.2 按需调页的性能

p为页错误的概率， p接近于0， 页错误越少， 那么有效访问时间为 ：
有效访问时间 = (1-p) * ma + p * 页错误时间

按需调页的另一个重要方面 ： 交换空间 的处理和使用
磁盘I/O到交换空间通常比到文件系统要快。 因为 交换空间 按大块来分配的， 并不使用文件查找和间接分配方法
如果在进程开始时将整个文件镜像复制到交换空间， 并从交换空间执行按页调度， 那么有可能获得更好的调页效果，另一选择是开始时从文件系统中进行按需调页， 但是当出现页置换时则将页写入交换空间， 这种方法确保只有所需的页才从文件系统中调入， 而以后出现的调页时从交换空间中读入的。

9.3 写时复制
通过采用类似页面共享的技术， 采用系统调用fork创建进程的开始阶段可能不需要按需调页， 这种技术提供了快速进程创建， 且最小化新创建进程必须分配的新页面的数量

写时复制(copy-on-write) ： 允许父进程与子进程开始时共享同一页面，这些页面标记为写时复制页，即如果任何一个进程需要对页进行写操作， 那么就创建一个共享页的副本。
注意 只有可能修改的页才需要标记为写时复制，不能修改的页（即包含可执行代码的页）可以为父进程和子进程所共享，写时复制是一种常用技术，为许多操作系统所采用，如Windows XP, Linux和Solaris

采用写时复制 从哪里分配空闲页？
许多OS提供 空闲缓冲池 这些空闲页在进程栈或队必须扩展时可用于分配， 或用于管理写时复制页，操作系统通常采用 按需调零(zero-fill-on-demand)的技术以分配这些页。 按需调零页在需要分配之前先填零，清除了以前的内容。
fork()不同于写时复制的fork() ， fork()会将父进程挂起。子进程使用父进程的地址空间。如果子进程修改父进程地址空间的任何页， 修改过的页在父进程重启时是可见的。
9.4 页面置换
过度分配（over-allocating）
常用解决方法 ：页置换(page replacement)

9.4.1 基本页置换
帧分配算法(frame-allocation) 和 页置换算法(page-replacement algorithm)
如果在内存中有多个进程，那么必须决定为每个进程各分配多少帧， 当需要页置换时，必须选择要置换的帧
内存的引用序列称为引用串（reference string）

9.4.2 FIFO页置换
9.4.3 最优置换(optimal page-replacement algorithm)
9.4.4 LRU页置换
FIFO ：页调入内存的时间
OPT ：页将来使用的时间
最优置换和LRU置换都没有Belady异常， 都属于同一类算法， 称为 栈算法（stack algorithm）

9.4.5 近似LRU页置换
1.附加引用位算法
操作系统把每个页的引用位转移到其8位字节的高位，包含着该页在8个时钟周期内没有使用，无符号整数，最小值的页为LRU置换页
数量可降为0， 只有引用位本身， 第二次机会页置换算法(second-chance page-replacement algorithm)
2. 二次机会算法
基本算法是FIFO置换算法
一个页如果经常使用以至于引用位总是被设置，不会被置换
实现算法 （有时称为时钟算法）： 采用循环队列
3.增强型二次机会算法

9.4.6 基于计数的页置换
* 最不经常使用页置换算法（LFU）
* 最常使用页置换算法（MFU） ： 理论为具有最小次数的页可能刚调入，还未使用

9.4.7 页缓冲算法
系统保留一个空闲帧缓冲池
在牺牲帧写出之前，所需要的页就从缓冲池中读到空闲内存，当在牺牲帧以后写出时，它再加入到空闲帧池

9.4.8 应用程序与页置换
有的操作系统允许特殊程序将磁盘作为逻辑块数组使用，而不需要通过文件系统的数据结构，这种数组有时称为生磁盘(raw disk), 而对数组的I/O则称为生I/O。
虽然有些应用程序使用其特有的磁盘存储服务更为高效，但是绝大多数程序使用通用文件系统服务会更好

9.5 帧分配
若采用纯按需调页

9.6 系统颠簸
局部置换算法(local replacement algorithm) （或 优先置换算法(priority replacement algorithm)）能限制系统颠簸
局部置换 ： 一个进程开始颠簸，那么它不能从其他进程拿到帧，且不能使后者也颠簸
如果进程颠簸，那么绝大多数时间内也会排队来等待调页设备，由于调页设备的更长的平均队列，页错误的平均等待时间也会增加。因此，即使对没有颠簸的进程， 其有效访问时间也会增加。

局部模型(locality model)
9.6.2 工作集合模型
工作集合模型（working-set model）是基于局部性假设的
工作集合窗口（working-set window）

9.7 内存映射文件

9.7.3 内存映射I／O
当通过内存映射串口发送一长串字节时，CPU写一个数据字节到数据寄存器，并设置控制寄存器的一个位以表示有字节可用。
设备读取字节，并清除控制寄存器的位以表示可以接收下一个字节。
接着，CPU可传输下一个字节，如果CPU采用轮询方式来检测控制位，这种操作称为程序I/O(programmed I/O, PIO)
如果采用接收设备就绪后可发下一个字节的中断的方式，称为中断驱动(interrupt driven)