操作系统--课堂问答笔记19--习题答案

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【4-5、4-6、4-7】

1. 简述段页式存储管理方式的特点和优势。
   答：简单说，段页式存储管理就是把用户程序采用外部分段、内部分页的方式装入内存，其结合了分页和分段两种存储管理的优势，对用户来讲，按段的逻辑关系进行划分；对系统讲，按页划分每一段。一个用户程序对应一个段表和若干个页表（有多少个段表项，即用户程序分多少段，那么就有多少个页表），段页式存储管理方式在进行地址变换时需要三次访问内存（引入快表后则可能一次访问高速缓存和一次访问内存）。
   
   优点：保留了分段和请求分页存储管理的全部优点；提供了虚拟存储空间，能更有效利用主存。
   缺点：增加了硬件成本；系统复杂度较大。

2. 简述局部性原理。
   答：之前介绍的各种存储器管理方式（分区、分页、分段）统称为传统存储器管理方式，它们全都具有如下两个共同的特征：1) 一次性（一次并全部装入内存）；2) 驻留性（未执行完则常驻内存）。但程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个部分，相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。因此程序执行时无需一次并全部装入内存也无需常驻内存，而仅须将那些当前要运行的少数页面或段先装入内存便可运行，其余部分暂留在外存中。
   局部性通常有两种不同的形式：时间局部性和空间局部性。时间局部性：在一个具有良好的时间局部性的程序中，被访问过一次的内存地址空间很可能在不远的将来会被再次访问。空间局部性：在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存地址空间被访问了一次，那么程序很可能在不远的将来访问其附近的某一个内存地址空间。
   正是由于局部性原理的存在，使得虚拟存储器技术的实现成为可能。

3. 虚拟存储器的定义和特征。
   答：定义：虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。在虚拟存储器系统中，作业无需全部都装入，只要装入一部分就可运行。当用户看到自己的程序能在系统中正常运行时，他会认为，该系统所具有的内存容量一定比自己的程序大，或者说，用户所感觉到的内存容量会比实际内存容量大得多。但用户所看到的大容量只是一种错觉，是虚的，故人们把这样的存储器称为虚拟存储器。
   特征：与传统的存储器管理方式比较，虚拟存储器具有以下三个重要特征：1) 多次性：所需的全部程序和数据要分成多次调入内存；2) 对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换出；3) 虚拟性：能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。

4. 在请求分页系统中,页表应包含哪些表项?每项的作用是什么?
   答：如下图：
   
   在请求分页系统中，其页表项中包含的数据项有页号，物理块号，状态位P，访问字段A，修改位M和外存地址；
   页号和物理块号：与基本分页系统中对应页表项含义相同；
   状态位P：指示该页是否调入内存，供程序访问时参考，通常0表示未调入、1表示已调入；
   访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法在选择换出页面时参考；
   修改位M：表示该页在调入内存后是否被修改过，通常0表示未修改（淘汰该页也就是从内存换出该页时无需替换外存对应页）、1表示已修改（淘汰该页时需要替换外存对应页），提供给置换页面时参考；
   外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号（注意是外存的物理块号，页表的第二个表项：物理块号是内存的物理块号），供调入该页时使用（知道在哪调入该页）。

5. 简述请求分页系统中的三种内存分配策略。
   答：在请求分页时，可采取两种内存分配策略，即固定和可变分配策略。在进行置换时，也可采取两种策略，即全局置换和局部置换。于是可组合出以下三种适用的策略。

1. 固定分配局部置换(Fixed Allocation，Local Replacement)：为每个进程分配一组固定数量的物理块（设为N个页面），进程运行时不再改变（即N值固定不变）。若发生缺页，从分配的N个页面中选出一页换出，从外存调入缺少的那一页，以保证分配给该进程的内存空间不变（N值固定）。
2. 可变分配全局置换(Variable Allocation，Global Replacement)：进程运行时，先为系统中的每个进程分配一定数目的物理块，而OS自身也保持一个空闲物理块队列。当某进程发现缺页时，由系统从空闲物理块队列中取出一个物理块分配给该进程，并将欲调入的（缺）页装入其中。这样，凡产生缺页（中断）的进程，都将获得新的物理块。仅当空闲物理块队列中的物理块用完时，OS才能从内存中选择一页调出，该页可能是系统中任一进程的页，这样，自然又会使那个进程的物理块减少，进而使其缺页率增加。
3. 可变分配局部置换(Variable Allocation，Local Replacement)：这同样是基于进程的类型或根据程序员的要求，为每个进程分配一定数目的物理块，但当某进程发现缺页时，只允许从本身进程在内存的页面中选出一页换出，这样就不会影响其它进程的运行。如果进程在运行中频繁地发生缺页中断，则系统需再为该进程分配若干个附加的物理块，直至该进程的缺页率减少到适当程度为止；反之，若一个进程在运行过程中的缺页率特别低，则此时可适当减少分配给该进程的物理块数，但不应引起其缺页率的明显增加。（即和第二种方式一样，N值不固定）
   总结：全局是指置换页面时，换出的页面可能是内存中的任一进程的页面，局部只能是本进程（就是当前缺页的进程）的页面；固定分配指为一个进程分配的物理块是固定的，可变分配指可根据缺页率调整所分配的物理块数。