第6章 虛擬存儲器
第6章 課后習題答案
常見存儲器管理具有哪兩大特征？它們對系統(tǒng)性能有何影響？
答：常見存儲器管理方式具有一次性和駐留性這兩大特征。一次性是指進程必須全部裝入內(nèi)存；駐留性是指在運行過程中，進程全部駐留在內(nèi)存中。一次性對內(nèi)存空間浪費非常大；駐留性則會使暫時不用的程序或數(shù)據(jù)無法釋放。
什么是虛擬存儲器？如何實現(xiàn)頁式虛擬存儲器？
答：
（1）虛擬存儲器是具有請求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對內(nèi)存容量進行擴充的一種存儲系統(tǒng)。從用戶觀點來看，虛擬存儲器具有比實際內(nèi)存大的多的容量，其邏輯容量由邏輯地址結(jié)構(gòu)以及內(nèi)存和外存容量之和決定，其運行速度接近于內(nèi)存的存取速度，而實現(xiàn)成本又接近于外存。
（2）為了實現(xiàn)虛擬存儲器，首先需要擴充頁表，增加狀態(tài)位以指出所需頁是否在內(nèi)存中，增加外存起始地址以便調(diào)入頁面，增加引用位以提供頁面置換算法使用，增加修改位以減少換出時寫入磁盤次數(shù)，另外還要使用兩種關(guān)鍵技術(shù)：①請求調(diào)頁技術(shù)。該項技術(shù)是指及時將進程所要訪問的不再內(nèi)存中的頁調(diào)入內(nèi)存。該功能是由硬件（缺頁中斷機構(gòu)發(fā)現(xiàn)頁）和軟件（將所需頁調(diào)入內(nèi)存）配合實現(xiàn)的。②置換頁技術(shù)。該技術(shù)是指當內(nèi)存中已無足夠空間裝入即將調(diào)入的頁時，為了保證程序能繼續(xù)運行、系統(tǒng)必須換出內(nèi)存中的部分頁，以騰出足夠的空間。具體的置換操作并不復雜，其關(guān)鍵時確定將哪些頁換出，即采取什么置換算法。
“整體對換從邏輯上擴充了內(nèi)存，因此頁實現(xiàn)了虛擬存儲器的功能”這種說法是否正確，請說明理由。
答：說法錯誤。
（1）整體對換是將某個內(nèi)存中暫時不用的某個程序及其數(shù)據(jù)換出到外存，以騰出足夠的內(nèi)存空間去裝入在外存中具備運行條件的進程所對應的程序和數(shù)據(jù)。
（2）虛擬存儲器是指僅把作業(yè)的一部分裝入內(nèi)存便可運行的存儲器系統(tǒng)，亦指具有請求調(diào)入功能和置換功能、能從邏輯上對內(nèi)存容量進行擴充的存儲器系統(tǒng)，它的實現(xiàn)必須建立在離散分配的基礎上。
（3）雖然整體對換和虛擬存儲器均能從邏輯上擴充內(nèi)存空間，但整體對換不具備離散型。實際上沒在具有整體對換功能的系統(tǒng)中，進程的大小仍將收到實際內(nèi)存容量的限制。
在請求分頁系統(tǒng)中，為什么說一條指令執(zhí)行期間可能產(chǎn)生多次缺頁中斷？
答：在請求調(diào)頁時，只要作業(yè)的部分頁在內(nèi)存中，該作業(yè)就可以執(zhí)行；而在執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)索要訪問的指令或數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中時，系統(tǒng)就會殘生缺頁中斷，將所需的頁面調(diào)入內(nèi)存。在請求調(diào)頁系統(tǒng)中，一條指令可能跨越了兩個頁，而其中要訪問的操作數(shù)可能與指令不在同一個頁上，且操作數(shù)本身也可能跨越了兩個頁。當要執(zhí)行這類指令而相應的頁又都不在內(nèi)存中時，就將執(zhí)行多次缺頁中斷。
請比較缺頁中斷與一般中斷，它們之間有什么明顯的區(qū)別？
答：缺頁中斷與一般中斷的區(qū)別主要有：
（1）一般中斷只需要保護現(xiàn)場后即可直接跳到序及時處理的地方；
（2）缺頁中斷除了需要保護現(xiàn)場外，還需要判斷內(nèi)存中是否有足夠的空間來存儲頁或段，然后再把所需的頁或段調(diào)進來使用。
請說明再請求分頁系統(tǒng)中，頁面的調(diào)入過程？
答：每當程序所要訪問的頁面未在內(nèi)存時（存在位為0），便向CPU發(fā)出缺頁中斷，中斷處理程序保存CPU現(xiàn)場信息，分析中斷原因后，轉(zhuǎn)入缺頁中斷處理程序。該程序同過查找頁表獲得頁所在外存的物理地址，如果此時內(nèi)存可以容納新頁，則啟動磁盤，將所缺頁調(diào)入內(nèi)存，然后修改頁表。如果內(nèi)存已滿，則須按照某種置換算法進行頁面置換；如果換出頁面被修改過（修改位為1），則必須將其寫回磁盤，在把缺頁調(diào)入內(nèi)存，將頁表中調(diào)入頁的存在位修改為1，并將此頁表項寫入快表中。利用修改后的頁表，形成要訪問數(shù)據(jù)的物理地址，再去訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)。整個頁面調(diào)入過程對用戶時透明的。
【考研真題】簡述在具有快表的請求分頁系統(tǒng)中，將邏輯地址轉(zhuǎn)變位物理地址的過程？
答：在具有快表的請求分頁系統(tǒng)中，將邏輯地址轉(zhuǎn)變位物理地址的完整過程為：
（1）檢索快表，試圖重中找出索要訪問的頁；
（2）如果找到，則修改頁表項中的訪問位，供置換算法選擇淘汰頁時參考，將寫指令修改為1，然后利用頁表項給出的物理塊號和頁內(nèi)地址形成物理地址，地址轉(zhuǎn)換結(jié)束；
（3）如果沒找到，則到內(nèi)存中去查頁表，再根據(jù)頁表中的狀態(tài)位來判斷該頁是否以調(diào)入內(nèi)存。若該頁已經(jīng)被調(diào)入內(nèi)存，則將該頁的頁表項調(diào)入內(nèi)存。當快表快滿時，先按某種算法調(diào)取某些頁表項，再寫入該頁的頁表項。若該頁未調(diào)入內(nèi)存中，則產(chǎn)生缺頁中斷，請求OS從外存中將該頁調(diào)入內(nèi)存，再轉(zhuǎn)到步驟（2）進行地址轉(zhuǎn)換。
什么是固定分配局部朱鹮和可變分配全局置換的內(nèi)存分配策略？
答：
（1）固定分配局部置換：固定分配是指，為每個進程配分一組固定數(shù)目的物理塊，在進程運行期間不再改變；局部置換是指，如果進程中出現(xiàn)缺頁，只能從分配給該進程的n個頁中選出1頁換出，然后再調(diào)入1頁。
（2）可變分配全局置換：可變分配是指，先為每個進程分配一定數(shù)目的物理塊，在進程運行期間可以根據(jù)情況適當發(fā)生變化；全局置換是指，如果進程在運行中發(fā)現(xiàn)缺頁，則將OS所保留的空閑物理塊或所有進程的全部物理塊選擇1快換出，然后再將缺頁調(diào)入。
實現(xiàn)LRU(least recently used,最近最久未使用)頁面置換算法所需要的硬件支持是什么？
答：需要寄存器和棧等硬件支持。寄存器用于記錄某進程再內(nèi)存中各頁的使用情況；棧用戶保存當前使用的各頁的頁面號。
什么是抖動？產(chǎn)生抖動的原因是什么？
答：
（1）抖動是指剛被換出的頁很快被訪問，必須重新調(diào)入，因此需要再選一頁調(diào)入，然后此時被換出的頁很快又被訪問，因而又必須將它調(diào)入，如此頻繁地更換頁面，使得系統(tǒng)把大部分時間用在了頁面地換進換出上，而幾乎不能完成任何有效地工作，我們稱這一現(xiàn)象為抖動。
（2）產(chǎn)生抖動地根本原因是同時再系統(tǒng)中運行地進程太多，分配給每個進程的物理塊太少，無法滿足進程運行的基本要求，只是每個進程再運行時出現(xiàn)頻繁缺頁。·
什么是工作集？它是基于什么原理而確定的？
答：
（1）工作集，又稱駐留集，是指再某段時間間隔內(nèi)進程實際要訪問的頁面集合。經(jīng)常使用的頁面需要存在于工作集中，而長期不使用的頁面則要從工作集中丟棄。
（2）工作集的確定原理：基于程序運行的局部性原理，程序運行期間對頁面的訪問會局限于很少的頁面之中，這些頁面被稱為活躍頁面，這些頁面的集合即為工作及。如果能預先將活躍頁面調(diào)入內(nèi)存，則將大大降低缺頁率。因此需要讓OS跟蹤每個進程的工作及，并為進程分配大于其工作集的物理塊。如果還有空閑物理塊，則可以再調(diào)入一個進程到內(nèi)存占用以此增加多道程序度。如果所有的工作集之和超過了可用物理塊的總數(shù)，則OS會暫停一個進程，將其頁面調(diào)出并且將其物理塊分配給其他進程，以防止出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。選擇正確工作集的大小，對存儲器利用率和系統(tǒng)吞吐量都有重要影響。
為了實現(xiàn)請求分段存儲管理，應在系統(tǒng)中增加配置哪些硬件機構(gòu)？
答：所需的硬件支持有：段表機制、缺頁中斷機構(gòu)以及地址轉(zhuǎn)換機構(gòu)。
第6章 零碎知識點
CLOCK算法選擇將最近未使用的頁面置換出去，因此又稱NRU算法。
無論采用什么頁面算法，每種頁面第一次訪問時不可能再內(nèi)存中，必然發(fā)生缺頁。
虛擬存儲器的最大容量是由計算機的地址結(jié)構(gòu)決定的，與主存容量和外存容量沒有必然的聯(lián)系，但是實際使用中，虛擬存儲器可以使得進程的可用內(nèi)存擴大到內(nèi)外存容量之和。
FIFO是隊列類算法，存在Belay現(xiàn)象，即進程的缺頁次數(shù)會隨著分配給該進程的頁框個數(shù)的增加而增加。
作業(yè)不多的情況下交換操作非常頻繁，說明物理內(nèi)存嚴重短缺。
增大內(nèi)存可使每個程序得到更多的頁框，能減少缺頁率，進而減少換入和換出過程，提高CPU的利用率。
缺頁中斷時，系統(tǒng)執(zhí)行的操作可能時置換頁面或分配內(nèi)存。這時不會出現(xiàn)越界錯誤，不會進行越界出錯處理。
固定分配是指進程運行的物理塊數(shù)目分配后保持不變，全局置換指內(nèi)存滿時每次換出一個物理塊，換進一個頁。所以固定分配和全局置換不可能搭配使用。
系統(tǒng)調(diào)用是由用戶進程發(fā)起的，請求操作系統(tǒng)的服務，如創(chuàng)建進程。其他的比如進程調(diào)度和缺頁處理都是完全由操作系統(tǒng)完成的，不涉及系統(tǒng)調(diào)用。
頁緩沖隊列是將被淘汰的頁面緩存下來，暫時不寫回磁盤，隊列長度會影響頁面置換的的速度，但不會影響缺頁率。
