第六讲 虚拟存储管理

问题

• 如何确定虚拟存储系统中每个进程需要多少物理内存，何时分配？
  • 从计算机系统整体利用率的角度看，并发运行多少进程最合适？

提纲

1. 全局页面置换算法的定义

2. 工作集页面置换算法
3. 缺页率页面置换算法

局部置换算法没有考虑进程访存差异

FIFO 页面置换算法: 假设初始顺序 a->b->c
物理页面数: 3 缺页次数: 9

局部置换算法没有考虑进程访存差异

FIFO 页面置换算法: 假设初始顺序 a->b->c
物理页面数: 4 缺页次数: 1

全局置换算法的工作原理

• 思路
  • 为进程分配可变数目的物理页面
• 全局置换算法要解决的问题
  • 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利用率与程序运行数量

• CPU利用率与程序运行数量存在相互促进和制约的关系
  • 运行程序少时，提高程序运行数，可提高CPU利用率
  • 程序运行数量大导致内存访问增加，并会降低访存的局部性
  • 局部性下降会导致缺页率上升和CPU利用率下降

提纲

1. 全局页面置换算法的定义

2. 工作集页面置换算法

3. 缺页率页面置换算法

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, $\Delta$)

• 当前执行时刻$t$
• 工作集窗口(working-set window)$\Delta$：一个定长的页面访问时间窗口
• 工作集窗口$\Delta$的大小$\tau$
  • 时间段长度，用当前时刻 $t$ 前的内存访问次数来表示
• 工作集W(t, $\Delta$)
  • 在当前时刻 $t$ 前的$\Delta$时间窗口中的所有访问页面所组成的集合
• 工作集大小 | W(t, $\Delta$) |：W(t, $\Delta$)中页面数目

进程的工作集示例

页面访问顺序：
W(t, $\Delta$) ={1,2,5,6,7} , 工作集窗口大小 $\tau=10, 当前时刻 t=t_1$

进程的工作集示例

页面访问顺序：
W(t, $\Delta$) ={1,2,3,4,5,6,7} , 工作集窗口大小 $\tau=10, 当前时刻 t=t_1$

进程的工作集示例

页面访问顺序：
W(t, $\Delta$) ={3,4}， 工作集窗口大小 $\tau=10$，当前时刻 $t=t_2$

工作集的变化

• 进程开始执行后，随着访问新页面逐步建立较稳定的工作集
• 当内存访问的局部性区域位置大致稳定时，工作集大小也大致稳定
• 局部性区域位置改变时，工作集快速扩张和收缩过渡到下一个稳定值

常驻集

在当前时刻，进程实际驻留内存中的页面集合

• 工作集与常驻集的关系
  • 工作集是进程在运行过程中的固有性质
  • 常驻集取决于系统分配给进程的物理页面数目和页面置换算法
• 缺页率与常驻集的关系
  • 常驻集 $\supseteq$ 工作集时，缺页较少
  • 工作集发生剧烈变动（过渡）时，缺页较多
  • 进程常驻集大小达到一定数目后，缺页率也不会明显下降

工作集页面置换算法

• 思路

  • 换出不在工作集中的页面

• 工作集窗口大小$\tau$

  • 当前时刻前$\tau$次内存访问的页面集合构成工作集

• 实现方法

  • 访存链表：维护窗口内的访存页面链表
  • 访存时，换出不在工作集的页面，更新访存链表
  • 缺页时，换入页面，更新访存链表

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

工作集置换算法示例

$\tau=4$

提纲

1. 全局页面置换算法的定义
2. 工作集页面置换算法

3. 缺页率页面置换算法

缺页率(Page-Fault-Frequency, Page Fault Rate)

缺页次数 / 内存访问次数 或 缺页平均时间间隔的倒数

• 影响缺页率的因素
  • 页面置换算法
  • 分配给进程的物理页面数目
  • 页面大小
  • 程序的编写方法

缺页率置换算法

通过调节常驻集大小，使每个进程的缺页率保持在一个合理的范围内

• 若进程缺页率过高，则增加常驻集以分配更多的物理页面
• 若进程缺页率过低，则减少常驻集以减少它的物理页面数

缺页率页面置换算法

• 访存时，设置引用位标志
• 缺页时，计算从上次缺页时间$t_{last}$ 到现在$t_{current}$ 的时间间隔
  • 如果 $t_{current} – t_{last}>T$（容忍的缺页窗口），则置换所有在$[t_{last} , t_{current} ]$时间内没有被引用的页
  • 如果$t_{current} – t_{last} \le T$，则增加缺失页到常驻集中

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

缺页率置换算法示例

假定窗口大小为 2

抖动问题(thrashing)

• 抖动

  • 进程物理页面太少，不能包含工作集
  • 造成大量缺页，频繁置换
  • 进程运行速度变慢

• 产生抖动的原因

  • 随着驻留内存的进程数目增加，分配给每个进程的物理页面数不断减小，缺页率不断上升

• 操作系统需在并发水平和缺页率之间达到一个平衡

  • 选择一个适当的进程数目和进程需要的物理页面数

小结

• 全局页面置换算法把所有进程视为整体来设置页面置换算法
  • 工作集置换算法、缺页率置换算法
• 各层次存储介质均衡繁忙时，存储系统整体利用率最高

第五讲虚拟存储管理小结

• 第一节 虚拟存储概念
  • 需求、覆盖、交换、虚拟存储的概念、缺页异常
• 第二节 局部页面置换算法
  • 页面置换算法的概念、OPT、FIFO、LRU、Clock、改进的时钟页面置换算法、LFU、Belady现象
• 第三节 全局页面置换算法
  • 全局页面置换算法、工作集置换算法、缺页率置换算法