1. 存儲管理器
有效地管理內存，即記錄哪些內存正在使用，哪些內存是空閒的，在進程需要時分配爲其分配內存，在進程使用完後釋放內存。
2. 幾種存儲管理方案
1） 無存儲器抽象：每一個程序都直接訪問物理內存
2） 一種存儲器抽象：地址空間
3） 虛擬內存
3. 地址空間
是一個進程可用於尋址內存的一套地址集合，每個進程都有一個自己的地址空間，並且該空間獨立於其他進程（除了在一些特殊情況下進程需要共享它們的地址空間外）
4. 簡單的尋址解決方法：動態定位（不適用於現代CPU）
基址寄存器：起始物理地址
界限寄存器：程序長度
缺點：每次訪存需進行比較和加法運算，加法很慢。
5. 交換技術
處理內存超載的方法之一，另一種是虛擬內存。
把一個完整進程調入內存，運行一段時間後，存回磁盤，空閒進程主要在磁盤上。
內存緊縮：指小的空閒區合成一大塊（一般不進行，速度慢）
6. 空閒內存管理
1） 使用位圖的存儲管理
2） 使用鏈表的存儲管理
7. 爲創建的進程分配內存
（按地址順序在鏈表中存放進程和空閒區時）
算法：
1） 首次適配算法
2） 下次適配算法
3） 最佳適配算法
4） 最差適配算法
5） 快速適配算法
8. 虛擬內存
基本思想：每個程序擁有自己的地址空間，這個地址空間被分割成多個塊，每個塊稱爲一頁（page），每個頁有連續的地址範圍。頁被映射到物理內存。這些頁部分調入內存即可運行，當程序引用地址時，由硬件立刻執行必要的地址映射，如果引用到不在內存中的地址空間時，由操作系統負責將缺失的部分裝入物理內存並重新執行失敗的指令。
9. 內存管理單元MMU
把虛擬地址映射爲物理內存地址
虛擬地址空間按照固定大小劃分成稱爲頁面的若干單元。
在物理內存中對應的單元稱爲頁框。
會產生缺頁中斷是因爲虛擬地址空間比物理內存大
10. 頁表
用於把虛擬頁面映射爲頁框
虛擬地址空間被分爲虛擬頁號和偏移量兩部分
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高速緩存禁止位 |
訪問位 |
修改位 |
保護位 |
“在/不在”位 |
頁框號 |
11. 加速分頁過程
1） TLB
將虛擬地址直接映射到物理地址，而不必再訪問頁表的硬件設備，轉換檢測緩衝區，又稱相聯存儲器，快表。
2） 軟件TLB管理
軟失效：在內存中而不在TLB，更新TLB
硬失效：不在內存中也不在TLB，需一次磁盤存取
12. 針對大內存的頁表
1） 多級頁表
2） 倒排頁表：在實際內存中每一個頁框有一個表項，用散列提高虛擬頁面到物理地址的映射速度
13. 頁面置換算法
1） 最優頁面置換算法（不可能實現）
2） 最近未使用頁面置換算法（NRU）
3） 先進先出頁面置換算法（FIFO）
4） 第二次機會頁面置換算法（檢查最老頁面R位（R=0立刻置換，R=1清0放鏈表尾端）
5） 時鐘頁面置換算法（環形鏈表，R=0淘汰，R=1清0並錶針前移）
6） 最近最少使用頁面置換算法（LRU，鏈表，最近最多使用在表頭）
老化算法（用於模擬LRU）
R位被加進之前先將計數器右移一位
R位加到計數器最左端
7） 最不常使用算法（NFU，計數器初值0，每次中斷，將每個頁面的R位加到計數器）
8） 工作集頁面置換算法（工作集：一個進程當前正在使用的頁面的集合。預先調頁）
9） 工作集時鐘頁面置換算法（WSClock）
14. 分頁系統中的設計問題
1） 局部分配策略與全局分配策略
全局算法通常情況下工作得比局部算法好
PFF算法（缺頁中斷率算法）：管理內存動態分配，盡力讓每個進程的缺頁中斷率控制在可接受的範圍內
適用於局部又適用於全局：FIFO、LRU
只適於局部：工作集、WSClock
2） 負載控制
一旦所有進程的工作集超出了內存容量，就可能發生顛簸，即使採用最優算法。
解決辦法：將一部分進程交換到磁盤，並釋放它們佔有的所有頁面。
3） 頁面大小
最優頁面大小公式 P=sqrt(2se) （進程平均大小是s字節，每個頁表項需要e字節）
4） 分離指令空間和數據空間
5） 共享頁面
寫時複製，兩個進程通過共享程序頁表，來共享同一程序。
6） 共享庫
位置無關代碼，解決重定位出錯的問題。
7） 內存映射文件
共享庫實際上是一種更爲通用的機制----內存映射文件的一個特例。
進程可以通過發起一個系統調用,將一個文件映射到其虛擬地址空間的一部分。
在多數實現中,在影射共享的頁面時不會實際讀入頁面的內容,而是在訪問頁面時纔會被每次一頁地讀入,磁盤文件則被當作後備存儲.但進程退出或顯式地解除文件映射時,所有被改動的頁面會被寫回文件中。
8） 清除策略
分頁守護進程：定期檢查內存狀態，如果空閒頁框太少，置換。如果置換的頁面被修改過，寫回磁盤。
雙指針時鐘：前指針由分頁守護進程控制，指向髒頁面時，寫回前移，否則只前移。後指針用於頁面置換。
15. 有關實現的問題
1） 分頁相關工作的時間：進程創建時，進程執行時，缺頁中斷時和程序終止時。
2） 缺頁中斷處理的時間順序
缺頁中斷髮生時的事件順序如下：
1. 硬件陷入內核，在堆棧中保存程序計數器。大多數機器將當前指令的各種狀態信息保存在特殊的CPU寄存器中。
2. 啓動一個彙編代碼例程保存通用寄存器和其他易失的信息，以免被操作系統破壞。這個例程將操作系統作爲一個函數來調用。
3. 當操作系統發現一個缺頁中斷時，嘗試發現需要哪個虛擬頁面。通常一個硬件寄存器包含了這一信息，如果沒有的話，操作系統必須檢索程序計數器，取出這條指令，用軟件分析這條指令，看看它在缺頁中斷時正在做什麼。
4. 一旦知道了發生缺頁中斷的虛擬地址，操作系統檢查這個地址是否有效，並檢查存取與保護是否一致。如果不一致，向進程發出一個信號或殺掉該進程。如果地址有效且沒有保護錯誤發生，系統則檢查是否有空閒頁框。如果沒有空閒頁框，執行頁面置換算法尋找一個頁面來淘汰。
5. 如果選擇的頁框“髒”了，安排該頁寫回磁盤，併發生一次上下文切換，掛起產生缺頁中斷的進程，讓其他進程運行直至磁盤傳輸結束。無論如何，該頁框被標記爲忙，以免因爲其他原因而被其他進程佔用。
6. 一旦頁框“乾淨”後（無論是立刻還是在寫回磁盤後），操作系統查找所需頁面在磁盤上的地址，通過磁盤操作將其裝入。該頁面被裝入後，產生缺頁中斷的進程仍然被掛起，並且如果有其他可運行的用戶進程，則選擇另一個用戶進程運行。
7. 當磁盤中斷髮生時，表明該頁已經被裝入，頁表已經更新可以反映它的位置，頁框也被標記爲正常狀態。
8. 恢復發生缺頁中斷指令以前的狀態，程序計數器重新指向這條指令。
9. 調度引發缺頁中斷的進程，操作系統返回調用它的彙編語言例程。
10. 該例程恢復寄存器和其他狀態信息
3） 指令備份：當程序訪問不在內存中的頁面時，將引起頁面失效的指令停止併產生OS的陷阱。
解決方案：使用隱藏的內部寄存器複製程序計數器的內容
4） 鎖定內存中的頁面
5） 後備存儲：靜態、動態、交換分區
16. 分段：用於各種表的擴張、收縮管理
在機器上提供多個互相獨立的稱爲段的地址空間。
段是一個邏輯實體，段的長度可以是0到某個允許的最大值。
分段有助於在幾個進程之間共享過程和數據。
頁面時定長的而段不是。
17. 分段和分頁結合：MULTICS
一個地址分爲：段和段內地址。
段內地址：頁號和頁內的字（頁內偏移量）
MULTICS包含16個字的高速TLB
18. 分段和分頁的結合：Pentium
LDT局部描述符表：每個程序的段，代碼、數據、堆棧等
GDT全局描述符表：系統段，包括操作系統本身