操作系统之内存管理

1. 功能

内存管理实现的功能：

• 抽象：逻辑地址空间
• 保护：独立地址空间
• 共享：访问相同内存
• 虚拟化：更大的地址空间

2. 管理方式

2.1 重定位

使用基址寄存器和界限寄存器，程序的起始物理地址装载到基址寄存器中，程序的长度装载到界限寄存器中。寻址时，地址=基址+偏移。

2.2 分段

将内存分为堆、堆栈、数据段、代码段等。

2.3 分页

• 页帧（帧、物理页面、Frame、Page Frame）
• 页面（页、逻辑页面、Page）
• 页表：页到帧的映射，逻辑地址中的页号是连续的，物理地址中的帧号是不连续的，不是所有的页都有对应的帧，每个进程都有一个页表，随进程运行状态而动态变化。

分页带来的问题：

• 内存访问性能问题：访问一个内存单元需要两次内存访问。
• 页表大小问题：页表可能非常大。

处理方法：

• 快表：缓存
• 多级页表
• 反置页表（倒排页表）：实际内存中每个页帧对应一个表项，用虚拟地址进行散列

2.4 段页式

段式存储在内存保护方面有优势，页式存储在内存利用和优化转移到后备存储方面有优势。段页式是在段式存储的管理基础上，给每个段加一级页表。

这种方式通过指向相同的页表基址，容易实现进程间的内存共享。

2.5 虚拟存储

2.5.1 基本特征

• 不连续：物理内存分配非连续；虚拟地址空间使用非连续。
• 大用户空间：提供给用户的虚拟内存可大于实际的物理内存。
• 部分交换：只对部分虚拟地址空间进行调入和调出。

2.5.2 缺页异常（中断）的处理流程

• A.在内存中有空闲的物理页面时，分配一物理页帧 f，转第 E 步
• B.依据页面置换算法选择将被替换的物理页帧 f，对应逻辑页 q
• C.如 q 被修改过，则把它写回外存
• D.修改 q 的页表项中的驻留位为 0
• E.将需要访问的页 p 装入到物理页面 f
• F.修改 p 的页表驻留位为 1，物理帧号为 f
• G.重新执行产生缺页的指令

2.5.3 页面置换算法

2.5.3.1 局部页面置换算法

置换页面的选择范围仅限于当前进程占用的物理页面内。

1. 最优算法（OPT，optimal）

思路：置换在未来最长时间不访问的页面。
实现：缺页时，计算内存中每个逻辑页面的下一次访问时间，选择未来最长时间不访问的页面。
特征：

• 缺页最少，是理想情况。
• 实际系统中无法实现，无法预知每个页面在下次访问前的等待时间。
• 可作为置换算法的性能评价依据。

2. 先进先出算法（First-In First-Out，FIFO）

思路：选择在内存中驻留时间最长的页面进行置换。
实现：维护一个记录所有位于内存中的逻辑页面链表，链表元素按驻留内存的时间排序，链首最长，链尾最短。出现缺页时，选择链首页面进行置换，新页面加到链尾。
特征：

• 实现简单
• 性能较差，调出的页面可能是经常访问的
• 进程分配物理页面数增加时，缺页并不一定减少（Belady 现象）：采用 FIFO 等算法时，可能出现分配的物理页面数增加，缺页次数反而升高的异常现象。原因：FIFO 算法的置换特征与进程访问内存的动态特征矛盾，被它置换出去的页面并不一定是进程近期不会访问的。
• 很少单独使用

3. 最近最少使用算法（Least Recently Used，LRU）

思路：缺页时，计算内存中每个逻辑页面的上一次访问时间，选择上一次使用到当前时间最长的页面。
实现：维护一个按最近访问时间排序的页面链表。
特征：开销比较大，每次访问要更新链表。

4. 时钟算法（Clock）

思路：仅对页面的访问情况进行大致统计。
数据结构：在页表项中增加访问位，描述页面在过去一段时间的内存访问情况，各页面组织成环形链表，指针指向最先调入的页面。
算法：访问页面时，在页表项记录页面访问情况，缺页时，从指针处开始顺序查找未被访问的页面进行置换。
实现：页面装入内存时，访问位初始化为 0，访问页面时，访问位置 1。缺页时，从指针当前位置顺序检查环形链表：访问位为 0，则置换该页；访问位为 1，则访问位置 0，并指针移动到下一个页面，直到找到可置换的页面。
特征：
是 LRU 和 FIFO 的折中。

5. 改进的 CLock 算法

思路：减少修改页的缺页处理（写入外存）开销。
算法：在页表项增加修改位，并在访问时进行相应修改。缺页时，修改页面标志位，以跳过有修改的页面。

6. 最不常用算法（Least Frequently Used，LFU）

思路：缺页时，置换访问次数最少的页面。
实现：每个页面设置一个访问计数，访问页面时，访问计数加 1 ，缺页时，置换计数最小的页面。
特征：

• 开销大。
• 开始时使用频繁，但以后不使用的页面很难置换。解决方法：计数定期右移。

LRU、FIFO 和 Clock 的比较

• LRU 和 FIFO 本质上都是先进先出的思路：LRU 依据页面的最近访问时间排序；FIFO 依据页面进入内存的时间排序。
• LRU 需要动态地调整顺序，FIFO 的页面进入时间是固定不变的。
• LRU 可退化成 FIFO：如页面进入内存后没有被访问，最近访问时间与进入内存的时间相同。
• LRU 算法性能较好，但系统开销大；FIFO 算法系统开销较小，但会发生 Belady 现象。
• Clock 算法是它们的折中，页面访问时，不动态调整页面在链表中的顺序，仅做标记，缺页时，再把它移动到链表末尾。
• 对于未被访问的页面，Clock 和 LRU 算法的表现一样好。对于被访问过的页面，Clock 算法不能记录准确访问顺序，而 LRU 算法可以。

2.5.3.2 全局页面置换算法

置换页面的选择范围是所有可换出的物理页面，为进程分配可变数目的物理页面。进程在不同阶段的内存需求是变化的，分配给进程的内存也需要在不同阶段有所变化。全局置换算法需要确定分配给进程的物理页面数。

CPU 利用率与并发进程数的关系：

• 进程数少时，提高并发进程数，可提高 CPU 利用率。
• 并发进程导致内存访问增加。
• 并发进程的内存访问会降低访存的局部性特征。
• 局部性特征的下降会导致缺页率上升和 CPU 利用率下降。

工作集：一个进程当前正在使用的逻辑页面集合，可表示为二元函数W(t,△)，t 是当前的执行时刻，△ 称为工作集窗口，即一个定长的页面访问时间窗口。

常驻集：在当前时刻，进程实际驻留在内存当中的页面集合。

1. 工作集算法

换出不在工作集中的页面。

2. 缺页率算法

缺页率=缺页次数 / 内存访问次数 或 缺页平均时间间隔的倒数。
通过调整常驻集大小，使每个进程的缺页率保持在一个合理的范围内。