第四章 存储管理页式存储管理 页式虚拟存储技术 段式存储管理分区存储管理的缺点n“碎片”问题n原因：作业要求连续的存储空间。n解决办法：允许作业占据不连续的空间 。基本原理n“等分”内存。n把内存划分为大小相同的“块”。n把用户作业空间划分为大小相同的“页”。n页和块的大小相同。n在把作业加载到内存时，页和页之间不再连续 。n但页内连续。n也不必把所有的页都一次性加载内存，只需要 加载那些马上要用到的页。其余的页在需要时 再加载。地址变换n逻辑地址：页号+页内地址n如何转变为内存物理地址？n考虑：物理地址=块号*块长度+块内地址块长度一定，块内地地址与页内地址相同。n问题变为：如何根据页号得到块号？n页表：页号页内地址页表地址变换过程1、根据页号查页表，得到块号。 2、根据块号和页内地址计算物理地址。 3、例题：例题：在分页存储管理系统中，用户编程空间共32个 页，每页大小为1024B，内存为16KB。假定某一时刻用 户页表如下，若逻辑地址为035E（H），求其所对应的 物理地址。页号 物理块号0 51 102 33 7 分析：（1）根据题意，页内地址为10位，页号为5位。 210=1024，25=32（2）根据给定的逻辑地址得到页号和页内地址。035E（H）=（0000001101011110）2 从左边 数10位为页内地址，剩余为页号。页号为0。（3）根据页号查页表，得到块号为5。（4）将块号与块内地址组合为物理地址：01011101011110=175E（H） 页表的实现快表n从上述地址变换过程可以看出：CPU每取一条 指令或数据，都必须经过页表。n因此，页表的每一个表项都是一个动态重定位 机构。n如何实现页表，将影响系统的效率。n方式：n硬件实现：用寄存器组。但代价太高，特别是内存 很大时，是不可能的。n软件实现：将页表放在内存中。每取一条指令，要 两次访问内存。快 表n软硬件结合：将页表中使用最频繁的表项（ 页表的的一个子集）放在cache中。称为“快 表”。ncache也称为“联想寄存器”，它不是根据地 址而是根据所存信息的全部特征或部分特征 进行存取。在这里为页号。n若要访问的页在cache中，则只需一次访问 内存。若不在，则到内存中去找，同时把新 的页表表项写入cache。例题：对于利用快表且页表存于内存的分页系统， 假定CPU的一次访问内存时间为1s，访问快表时间 忽略不计。如果85%的地址映射可直接通过快表完成，那么进程完成一次内存读写的平均有效时间是多少 ？分析：（1）若直接通过快表完成，则只需一次访问内存。（2）若不能，则需要两次访问内存。（3）平均时间=1*85%+2*15%内 存 分 配n用户需求：需要多少块？n内存空闲块的管理：位示图。位示图：在内存中划出一片区域，用一位 代表一个块，该位的值表示所代表的块的状 态：0：空闲；1：已分配。内存分配n块号与字号、字长的关系：系统的字长 一定，内存块从0开始编号，则有：块号=字号*字长+位号字号=块号/字长 （取整的意思） 位号=块号 MOD 字长 用户作业请求：块数B扫描位示图，查找为0的位空闲块数BN 无法分配计算块号建立页表页式系统的内存保护和共享n保护：在页表上添加一个保护位。在做地址 变换时，检查对页面的访问是否合法。n共享：根据地址转换过程可知：如果在不同用户的页表中填上相同的页表表项（块号），就能够访问相同的内存空间。块号保护位5 R 12 WR5 55用户1 用户2 用户355页式虚拟存储技术n虚拟存储器：内存扩充技术，为用户提供一 个比实际内存大得多的内存空间。n实现虚拟的三个三个条件；n程序中的哪些页已经加载内存。n当要访问的页不在内存时，如何将其掉如内存？n若此时内存空间已满，如何选择换出的页？n页式虚拟的基本原理：加载作业时，只加载 那些最活跃的页，其余的页需要时再加载。“ 请求调页技术”和“预调页技术”。一、如何知道哪些已在内存在页表中添加一个标志位（中断位），标 志该页是否已在内存： 0：不在1：在内存块号 保护位 标志位当要访问的页不在内存时n发生“缺页中断”。n缺页中断的处理过程：n保存现场n在内存中找到一个空闲块。n从磁盘上找到要调入的页。n读磁盘到内存。n恢复现场。n重新调度运行。在调入内存时，若内存已满n进行“页面替换”：从内存中选择一个页调出 内存，为新调入的页让出空间。n如果替换的不合适，则发生“抖动”或“颠簸” 现象：页在内外存之间频繁地调入调出，系 统开销很大。n页面替换算法：n先进先出法（FIFO）：将最先调入内存的页调出 内存。n最近最少使用算法（LRU：least recently used） 。将最近一段时间内没有用过的页调出内存。页面替换算法n最近最少使用算法（LFU）：最近一段时 间内使用次数最少的页调出内存。为每一个在内存的页设置一个计数器 ，选择计数器中的值最小的调出。n最优算法（OPT）：把将来一段时间内被 使用的可能性最小的页调出内存。利用预测方法先来预测将来的使用情况。n注意：LRU、LFU之间的区别。例 题：有一个分页式虚拟存储管理系统，每个进程在内存有3页 数据区、1页程序区，刚开始时数据区为空。现有一个进程有 以下访问序列：1，5，4，1，2，3，2，1，5，4，2，4，3，5，1 若系统采用： （1）最近最少使用（LRU）淘汰算法 （2）先进先出（FIFO）淘汰算法 请计算缺页次数和发生缺页中断后的淘汰页号。分析：（1）采用FIFO方法：将内存中的页按进入的先后次序排队，后来的加入队尾， 先来的先出去。（1）FIFO算法访问队列：1 5 4 1 2 3 2 1 5 4 2 4 3 5 11 5 4 4 2 3 3 1 5 4 2 2 3 5 1 内 存 1 5 5 4 2 2 3 1 5 4 4 2 3 51 1 5 4 4 2 3 1 5 5 4 2 3缺页中断 页面替换 1 5 4 2 3 1 5 4 3答案：缺页中断的次数为12次，页面替换的次序是：1 5 4 2 3 1 5 4 3。（2）LRU算法：访问队列：1 5 4 1 2 3 2 1 5 4 2 4 3 5 11 5 4 4 2 3 3 3 5 4 2 2 3 5 1 内 存 1 5 5 1 2 2 2 1 5 4 4 2 3 51 1 4 1 1 1 2 1 5 5 4 4 3缺页中断 页面替换 5 4 3 2 1 5 2 4答案：缺页中断的次数为11次，页面替换的次序是：5 4 3 2 1 5 2 4工作集模型虚拟存储技术的理论基础。局部性原理：进程往往会不均匀地高度局部 化地访问内存。 时间局部性：刚刚被访问的页，很可能在不久的 将来还要访问。例如：循环；子程序；栈；用户 记数和总计的变量等。 空间局部性：某个页面被访问，很可能它相临的 页也要被访问。例如：数组遍历；代码程序的执 行；等等。 工作集：进程活跃地访问的页面的集合。工作集模型（续）n工作集存储管理策略力求把活跃程序的工 作集保存在内存中。从上图可以看出：仅当一个进程的全部工作 集都在内存时才能运行该作业。hW(h)h0页式存储管理的缺陷从理论上讲，不同用户共享程序段或 数据很简单，只需在不同用户的页表中填上 相同的块号，经地址变换后，一定能访问相 同的内存空间。但是，由于页的划分是由系统自动进 行的，很可能用户要共享的页分布在不同的 页中，给共享和保护造成了麻烦。段式存储管理n用户程序观点：一个程序由若干程序段组成 ，每一个段具有相对独立的功能。n段的概念：一个逻辑意义完整的信息单位。 一个程序由若干个段组成。各段长度不同。n段式存储管理的原理：作业的地址空间由若 干个逻辑分段组成，每个分段有自己的名字 ，在内存中占据一个连续的区域。但是段和 段之间可以是不连续的。思考：采用什么策略为段分配内存？地址变换n逻辑地址：段号+段内地址n注意：该逻辑地址是二维地址。n因为段在内存中占据一个连续的区域，如果 知道该段在内存中的起始地址，就可以得到 物理地址：物理地址=起始地址+段内地址n段表：段号 起始地址 长度 地址变换的过程1、硬件支持：段表基址寄存器和段表长度寄存器。 因为段表是保存在内存中的。 2、步骤：（1）检查段号是否：段号段表长度寄存器 若否，则产生“地址越界”中断。（2）根据段号和段表基址寄存器的值取段表表项 ，得到段基址和段长度。（3）判断段内地址是否越界：段内地址段长度。（4）物理地址=基址+段内地址段的共享和保护n共享：在不同用户的段表中添入相同的段表表项。n保护：在段表中添加一个保护位。n思 考：为什么段式存储管理比页式存储管理更容易实现共享和保护？段式和页式的问题和优点n页式：解决了碎片问题。但不便于用户作业的共享和保护。由于用户调入的页可能只用到其中的一部分，因此系统的效率不高。n段式：很好地解决了共享和保护问题，系统效率高；但由于采用可变分区方式为段分配内存，存在碎片问题。 段页式存储管理n也称为“混合式存储管理”，将页式和段式 的优点结合起来。n原理：程序先分段，段内再分页。每个 段在内存中拥有一个页表。n用户看到的是段，即共享时采用段。n内存管理采用页，因此消除了碎片。地址变换n逻辑地址：段号+页号+页内地址n段表：段号 页表起始地址n页表：页号 块号n注意：每一个段都有一个页表。n硬件支持：段表基址寄存器和段表长度寄存器。段号页号页内地址本章小结内存管理功能n内存的分配和回收n地址变换n内存共享与保护n虚拟存储器n任何一种管理策略，都需要解决上述问 题。n解决上述问题的方法，就是存储管理的内容 。本章小结内存管理技术n单道连续存储管理n分区存储管理n固定分区存储管理n可变分区存储管理n页式存储管理n段式存储管理n段页式存储管理课 后 练 习1、在一个分页式虚拟存储管理系统中，每个 进程在内存中有3个数据区，2个程序区。现 有一进程，其数据的