操作系统内存管理

计算机分层存储体系（memory hierarchy）

• 高速缓存（cache）：昂贵、易失
• 内存：易失，速度和价格适中
• 磁盘存储：低速、廉价
• 可移动存储装置：DVD、USB

操作系统中管理分层存储体系的部分称为存储管理器（memory manager）

地址空间

概念

地址空间是一个进程可用于寻址内存的一套地址集合

每个进程都有一个自己的地址空间，并且这个地址空间独立于其他进程的地址空间

交换技术

把一个进程完整调入内存，使该进程运行一段时间，然后把它存回磁盘。
Ex：

内存紧缩（memory compaction）：交换在内存中产生了多个空闲区（hole），通过把所有的进程尽可能向下移动，有可能将这些小的空闲区合成一大块。（耗费大量时间）

虚拟内存（virtual memory）

概念

每个程序拥有自己的地址空间，这个空间被分割成多个块，每一块称作一页或页面（page），每一页有连续的地址范围。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。

虚拟内存很适合多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。

分页（paging）

程序中引用了一组内存地址，称为虚拟地址（virtual memory），它们构成了一个虚拟地址空间（virtual address space）。在使用虚拟内存的情况下，虚拟地址被送到内存管理单元（Memory Management Unit，MMU），MMU把虚拟地址映射为物理内存地址，如下图：

虚拟地址范围与计算机位宽有关，例如某台计算机可以产生16位地址的计算机，地址范围为0~2^16，即0~64K，且这些地址是虚拟地址。然而计算机内存只有32K物理内存，因此，虽然可以编写64KB的程序，但它们却不能被完全调入内存运行。在磁盘上必须有一个可以大到64KB的程序核心映像的完整副本，以保证程序片段在需要时能被调入内存。

虚拟地址空间按照固定大小划分成称为页面（page）的若干单元。在物理内存中对应的单元称为页框（page frame）。页面和页框的大小通常是一样的。

程序通过虚拟地址和物理内存的映射关系，把物理内存中的地址送到总线上。通过恰当地设置MMU，可以把虚拟页面映射到页框中的任何一个。如果程序访问了一个未映射的的页面，会发生缺页中断（page fault）。操作系统找到一个很少使用的页框且把它的内容写入磁盘。随后把需要访问的页面读到刚刚回收的页框中，修改映射关系，然后重新启动引起陷阱的指令。

可用页号作为页表（page table）的索引，以得出对应于该虚拟页面的页框号。

页表

虚拟地址到物理地址的映射可以概括如下：虚拟地址被分为虚拟页号（高位部分）和偏移量（低位部分）两部分。

页面置换算法

当发生缺页中断时，操作系统必须在内存中选择一个页面将其换出内存，以便为即将调入的页面腾出空间。

最优页面置换算法（OPT）

标记：该页面首次被访问前所要执行的指令数作为标记

置换标记最大的页面，这个算法是无法实现的，因为当缺页中断时，操作系统无法知道各个页面下一次将在什么时候访问。这个算法可以用在评估其他可实现算法。

最近未使用页面置换算法（Not Recently Used，NRU）

当发生缺页中断时，操作系统检查所有的页面并根据它们当前状态，分为4类

• 第0类：没有被访问，没有被修改
• 第1类：没有被访问，已被修改
• 第2类：已被访问，没有被修改
• 第3类：已被访问，已被修改

NRU算法从类编号最小的非空类中挑选一个页面淘汰

NRU的主要优点是易于实现和能够有效地被实现，虽然它的性能不是最好的，但是已经够用了

先进先出页面置换算法

FIFO算法：由操作系统维护一个所有当前在内存中的页面的链表，最新进入的页面放在表尾，最久进入的页面放在表头。当发生缺页中断，淘汰表头的页面并把新调入的页面加到表尾。

很少使用

第二次机会页面置换算法

该算法是对FIFO的改进，如果最老页面没有被使用过则立刻置换掉，如果使用过就将使用或未使用的标志位清0，并把该页面放到链表的尾端，然后继续搜索。

时钟页面置换算法

对第二次机会页面置换算法的改进，把所有页面都保存在一个类似钟面的环形链表，一个表针指向最老的页面。

最近最少使用页面置换算法（Least Recently Used，LRU）

该算法是置换未使用时间最长的页面。

可以实现，但代价很高

工作集页面置换算法

工作集（working set）：一个进程当前正在使用的页面的集合

工作集模型（working set model）：跟踪进程的工作集，以确保在让进程运行以前，它的工作集就已经在内存中了。

根据工作集模型推导出一个合理的页面置换算法

工作集时钟页面置换算法

对工作集页面置换算法的改进

小结

Tables Are 最优算法算法（OPT） 不可实现，但可用作基准 最近未使用算法（NRU） LRU的很粗糙的近似 先进先出算法（FIFO） 可能抛弃重要页面 第二次机会算法 比FIFO有大的改善 时钟算法 现实的 最近最少使用算法（LRU） 很优秀，但很难实现 最不经常使用算法（NFU） LRU的相对粗略的近似 老化算法 非常近似LRU的有效算法 工作集算法 实现起来开销很大 工作集时钟算法 好的有效算法