操作系統--課堂問答筆記19--習題答案

課堂筆記學習視頻來自 操作系統
說明：其他”課堂問答筆記“也在”操作系統“專欄

【4-5、4-6、4-7】

1. 簡述段頁式存儲管理方式的特點和優勢。
   答：簡單說，段頁式存儲管理就是把用戶程序採用外部分段、內部分頁的方式裝入內存，其結合了分頁和分段兩種存儲管理的優勢，對用戶來講，按段的邏輯關係進行劃分；對系統講，按頁劃分每一段。一個用戶程序對應一個段表和若干個頁表（有多少個段表項，即用戶程序分多少段，那麼就有多少個頁表），段頁式存儲管理方式在進行地址變換時需要三次訪問內存（引入快表後則可能一次訪問高速緩存和一次訪問內存）。
   
   優點：保留了分段和請求分頁存儲管理的全部優點；提供了虛擬存儲空間，能更有效利用主存。
   缺點：增加了硬件成本；系統複雜度較大。

2. 簡述局部性原理。
   答：之前介紹的各種存儲器管理方式（分區、分頁、分段）統稱爲傳統存儲器管理方式，它們全都具有如下兩個共同的特徵：1) 一次性（一次並全部裝入內存）；2) 駐留性（未執行完則常駐內存）。但程序在執行時將呈現出局部性規律，即在一較短的時間內，程序的執行僅侷限於某個部分，相應地，它所訪問的存儲空間也侷限於某個區域。因此程序執行時無需一次並全部裝入內存也無需常駐內存，而僅須將那些當前要運行的少數頁面或段先裝入內存便可運行，其餘部分暫留在外存中。
   局部性通常有兩種不同的形式：時間局部性和空間局部性。時間局部性：在一個具有良好的時間局部性的程序中，被訪問過一次的內存地址空間很可能在不遠的將來會被再次訪問。空間局部性：在一個具有良好空間局部性的程序中，如果一個內存地址空間被訪問了一次，那麼程序很可能在不遠的將來訪問其附近的某一個內存地址空間。
   正是由於局部性原理的存在，使得虛擬存儲器技術的實現成爲可能。

3. 虛擬存儲器的定義和特徵。
   答：定義：虛擬存儲器是指具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對內存容量進行擴充的一種存儲器系統。在虛擬存儲器系統中，作業無需全部都裝入，只要裝入一部分就可運行。當用戶看到自己的程序能在系統中正常運行時，他會認爲，該系統所具有的內存容量一定比自己的程序大，或者說，用戶所感覺到的內存容量會比實際內存容量大得多。但用戶所看到的大容量只是一種錯覺，是虛的，故人們把這樣的存儲器稱爲虛擬存儲器。
   特徵：與傳統的存儲器管理方式比較，虛擬存儲器具有以下三個重要特徵：1) 多次性：所需的全部程序和數據要分成多次調入內存；2) 對換性：允許在作業的運行過程中進行換進、換出；3) 虛擬性：能夠從邏輯上擴充內存容量，使用戶所看到的內存容量遠大於實際內存容量。

4. 在請求分頁系統中,頁表應包含哪些表項?每項的作用是什麼?
   答：如下圖：
   
   在請求分頁系統中，其頁表項中包含的數據項有頁號，物理塊號，狀態位P，訪問字段A，修改位M和外存地址；
   頁號和物理塊號：與基本分頁系統中對應頁表項含義相同；
   狀態位P：指示該頁是否調入內存，供程序訪問時參考，通常0表示未調入、1表示已調入；
   訪問字段A：用於記錄本頁在一段時間內被訪問的次數，或最近已有多長時間未被訪問，提供給置換算法在選擇換出頁面時參考；
   修改位M：表示該頁在調入內存後是否被修改過，通常0表示未修改（淘汰該頁也就是從內存換出該頁時無需替換外存對應頁）、1表示已修改（淘汰該頁時需要替換外存對應頁），提供給置換頁面時參考；
   外存地址：用於指出該頁在外存上的地址，通常是物理塊號（注意是外存的物理塊號，頁表的第二個表項：物理塊號是內存的物理塊號），供調入該頁時使用（知道在哪調入該頁）。

5. 簡述請求分頁系統中的三種內存分配策略。
   答：在請求分頁時，可採取兩種內存分配策略，即固定和可變分配策略。在進行置換時，也可採取兩種策略，即全局置換和局部置換。於是可組合出以下三種適用的策略。

1. 固定分配局部置換(Fixed Allocation，Local Replacement)：爲每個進程分配一組固定數量的物理塊（設爲N個頁面），進程運行時不再改變（即N值固定不變）。若發生缺頁，從分配的N個頁面中選出一頁換出，從外存調入缺少的那一頁，以保證分配給該進程的內存空間不變（N值固定）。
2. 可變分配全局置換(Variable Allocation，Global Replacement)：進程運行時，先爲系統中的每個進程分配一定數目的物理塊，而OS自身也保持一個空閒物理塊隊列。當某進程發現缺頁時，由系統從空閒物理塊隊列中取出一個物理塊分配給該進程，並將欲調入的（缺）頁裝入其中。這樣，凡產生缺頁（中斷）的進程，都將獲得新的物理塊。僅當空閒物理塊隊列中的物理塊用完時，OS才能從內存中選擇一頁調出，該頁可能是系統中任一進程的頁，這樣，自然又會使那個進程的物理塊減少，進而使其缺頁率增加。
3. 可變分配局部置換(Variable Allocation，Local Replacement)：這同樣是基於進程的類型或根據程序員的要求，爲每個進程分配一定數目的物理塊，但當某進程發現缺頁時，只允許從本身進程在內存的頁面中選出一頁換出，這樣就不會影響其它進程的運行。如果進程在運行中頻繁地發生缺頁中斷，則系統需再爲該進程分配若干個附加的物理塊，直至該進程的缺頁率減少到適當程度爲止；反之，若一個進程在運行過程中的缺頁率特別低，則此時可適當減少分配給該進程的物理塊數，但不應引起其缺頁率的明顯增加。（即和第二種方式一樣，N值不固定）
   總結：全局是指置換頁面時，換出的頁面可能是內存中的任一進程的頁面，局部只能是本進程（就是當前缺頁的進程）的頁面；固定分配指爲一個進程分配的物理塊是固定的，可變分配指可根據缺頁率調整所分配的物理塊數。