请求分页存储管理方式

2024-06-08 23:04

本文主要是介绍请求分页存储管理方式,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

目录

请求分页中的硬件支持

1. 请求页表机制

2. 缺页中断机构

硬件支持的详细工作流程

示例代码

请求分页中的内存分配

最小物理块数的确定

分配方式

分配公平性

请求分页存储管理方式中的内存分配策略

具体示例

页面调入策略

最近最久未使用(LRU, Least Recently Used)

最少使用(LFU, Least Frequently Used)

先进先出(FIFO, First In First Out)

结语


        请求分页存储管理方式是一种 commonly used 的虚拟内存管理技术,它结合了分页存储管理和按需装入的概念。在请求分页中,进程的地址空间被划分为多个页,但只将部分页装入内存,其余页留在磁盘上。当进程访问未驻留内存的页时,会触发缺页中断,操作系统负责将该页调入内存。

请求分页中的硬件支持

        为了实现请求分页,系统必须提供一定的硬件支持。除了要求一定容量的内存和磁盘外,还需要以下硬件组件:

1. 请求页表机制

        请求分页系统需要使用请求页表,其基本作用是将虚拟地址映射到物理地址。为了满足页面换进换出,在请求页表中增加了以下四个字段:

  • 存在位(Present Bit):指示该页是否驻留在物理内存中。如果存在位为0,表示该页不在内存中,需要触发缺页中断。
  • 访问字段(Accessed Bit):记录该页是否被访问过,用于页面置换算法(如LRU算法)来判断哪些页可以被换出。
  • 修改位(Dirty Bit):指示该页是否被修改过。如果被修改过,在换出时需要将该页写回到磁盘。
  • 页框号(Frame Number):记录该页在物理内存中的位置。

2. 缺页中断机构

缺页中断是当进程访问未驻留内存的页时触发的中断。缺页中断机构负责以下任务:

  • 保护 CPU 环境:保存当前的CPU状态和寄存器内容,以便在中断处理完成后能够恢复。
  • 分析中断原因:确定中断是由于缺页引起的,并识别缺页的虚拟地址。
  • 转入缺页中断处理程序:调用操作系统中的缺页中断处理程序,负责将所需的页面从磁盘加载到内存中。
  • 恢复 CPU 环境:在中断处理完成后,恢复之前保存的CPU状态和寄存器内容,使进程继续执行。

硬件支持的详细工作流程

以下是请求分页过程中硬件支持的详细工作流程:

  1. 地址转换

    • CPU 生成虚拟地址。
    • 请求页表机制将虚拟地址拆分为页号和页内偏移量。
    • 检查请求页表中的存在位。
      • 如果存在位为1,页面在内存中,直接使用页框号和页内偏移量生成物理地址。
      • 如果存在位为0,触发缺页中断。
  2. 缺页中断处理

    • 缺页中断机构保存当前CPU环境。
    • 分析中断原因,确定缺页的虚拟地址。
    • 调用操作系统的缺页中断处理程序。
      • 从磁盘读取缺页对应的页面。
      • 更新请求页表中的页框号和存在位。
      • 如果需要,更新访问字段和修改位。
    • 恢复CPU环境。
    • 重新执行引起缺页中断的指令。

示例代码

以下是一个简化的示例代码,展示了如何处理请求分页中的缺页中断:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define PAGE_SIZE 4096
#define NUM_PAGES 256
#define MEMORY_SIZE (PAGE_SIZE * NUM_PAGES)typedef struct {int present;   // 存在位int accessed;  // 访问字段int dirty;     // 修改位int frame_number; // 页框号
} PageTableEntry;PageTableEntry page_table[NUM_PAGES];
char memory[MEMORY_SIZE];void handle_page_fault(int page_number) {printf("Handling page fault for page number: %d\n", page_number);// 从磁盘加载页面到内存中(模拟)int frame_number = page_number; // 简化示例,假设页框号等于页号page_table[page_number].frame_number = frame_number;page_table[page_number].present = 1;// 模拟数据加载snprintf(memory + frame_number * PAGE_SIZE, PAGE_SIZE, "Data for page %d", page_number);
}void access_memory(int virtual_address) {int page_number = virtual_address / PAGE_SIZE;int offset = virtual_address % PAGE_SIZE;if (page_number >= NUM_PAGES) {printf("Invalid virtual address\n");return;}if (!page_table[page_number].present) {handle_page_fault(page_number);}int frame_number = page_table[page_number].frame_number;char *data = memory + frame_number * PAGE_SIZE + offset;printf("Accessed data: %s\n", data);
}int main() {// 初始化页表for (int i = 0; i < NUM_PAGES; i++) {page_table[i].present = 0;page_table[i].accessed = 0;page_table[i].dirty = 0;page_table[i].frame_number = -1;}// 模拟内存访问access_memory(0x1234); // 访问虚拟地址 0x1234access_memory(0x5678); // 访问虚拟地址 0x5678return 0;
}

请求分页中的内存分配

        请求分页是一种内存管理技术,它结合了分页和按需调页的优势,提高了内存利用率和系统的灵活性。在请求分页中,内存分配涉及几个关键问题:

  1. 最小物理块数的确定:确保每个进程能够正常运行所需的最小物理块数。
  2. 分配方式:选择固定分配还是可变分配。
  3. 分配公平性:决定如何公平地分配物理块,采用平均分配或按比例分配。

最小物理块数的确定

为了保证进程能正常运行,需要为每个进程分配至少一定数量的物理块。确定最小物理块数时,需要考虑以下因素:

  • 进程的工作集大小:进程运行过程中实际所需的最小页面数。
  • 系统的上下文切换开销:频繁的缺页中断将增加系统开销,可能影响进程的响应时间。

最小物理块数的选择通常是操作系统预设的一个阈值,具体值根据系统资源和应用需求确定。

分配方式

进程的物理块可以采用固定分配或可变分配两种方式:

  1. 固定分配(Fixed Allocation)

    • 定义:为每个进程分配固定数量的物理块,数量在进程创建时确定,不随运行过程中变化。
    • 优点:实现简单,易于管理。
    • 缺点:可能无法应对进程的动态需求,导致部分进程缺页中断频繁而其他进程空闲。
  2. 可变分配(Variable Allocation)

    • 定义:根据进程运行情况动态调整所分配的物理块数量,灵活应对内存需求。
    • 优点:灵活性高,能够更好地适应进程的实际需要。
    • 缺点:实现复杂,管理难度高。

分配公平性

为了确保资源利用的公平性,在分配物理块时可选择以下策略:

  1. 平均分配算法(Equal Allocation Algorithm)

    • 实现:将物理块平均分配给每个进程。
    • 优点:公平、简单,每个进程获得相同数量的物理块。
    • 缺点:忽略了进程实际的工作集大小,可能导致不必要的缺页中断。
  2. 按比例分配算法(Proportional Allocation Algorithm)

    • 实现:根据进程的大小或优先级按比例分配物理块。
    • 优点:考虑了进程实际的内存需求,提高了内存利用效率。
    • 缺点:需要更多信息和计算,管理复杂。

请求分页存储管理方式中的内存分配策略
  1. 固定分配局部置换(Fixed Allocation, Local Replacement)

    • 描述:为每个进程分配一组固定数量的物理块,运行期间不再改变。
    • 缺页处理:当进程发生缺页中断时,只能从分配给该进程的物理块中选择一个页换出,再装入所需页。
    • 优点:简单易行,进程间互不干扰,保证了隔离性。
    • 缺点:可能导致频繁的缺页中断,内存利用率较低。
  2. 可变分配全局置换(Variable Allocation, Global Replacement)

    • 描述:为每个进程初始分配一定数量的物理块,运行期间可根据需要动态调整。
    • 缺页处理:当进程发生缺页中断时,可以从系统的空闲物理块中分配,也可以选择全局范围内任一物理块上的页换出,再装入新页。
    • 优点:灵活应对内存需求,提高了内存利用率。
    • 缺点:管理和实现复杂,可能导致缺页率增加,影响系统性能。

具体示例

固定分配局部置换示例

function handlePageFault(process) {if (process.allocatedFrames < process.maxFrames) {frame = allocateFrame();loadPage(process.page, frame);} else {victimPage = selectVictimPage(process);evictPage(victimPage);frame = victimPage.frame;loadPage(process.page, frame);}
}function selectVictimPage(process) {// Implement LRU, FIFO or any other page replacement algorithm inside the process's limit
}

可变分配全局置换示例

function handlePageFaultGlobal(process) {if (freeFrameAvailable()) {frame = allocateFrame();loadPage(process.page, frame);} else {victimPage = selectGlobalVictimPage();evictPage(victimPage);frame = victimPage.frame;loadPage(process.page, frame);}
}function selectGlobalVictimPage() {// Implement LRU, FIFO or any other page replacement algorithm across all processes
}function freeFrameAvailable() {// Check the central free frame listreturn freeFrameList.size > 0;
}

 

页面调入策略

        页面调入策略(Page Replacement Policies)是在发生缺页中断时,操作系统决定将哪个页调入内存,确保系统运行的最优性能。通过合理选择需要调入的页,可以减少缺页中断次数,提高内存利用率和系统效率。以下是几种常用的页面调入策略:

最近最久未使用(LRU, Least Recently Used)

LRU算法选择最近最久未使用的页进行调入。该算法假设最近未被使用的页在将来被访问的可能性最小。

  • 实现:为每个页设置一个访问字段,记录该页自上次被访问以来的时间。每次访问页面时,更新该访问字段。
  • 过程
    1. 发生缺页中断时,查找所有在内存中的页面,选择访问字段值最大的页面(即最近最久未使用的页面)。
    2. 替换选中的页面,将缺页页面调入内存。

示例伪代码

function lruPageReplacement(pageTable) {oldestPage = pageTable[0];for each page in pageTable {if page.accessTime > oldestPage.accessTime {oldestPage = page;}}return oldestPage;
}function handlePageFault_LRU(pageTable, newPage) {victimPage = lruPageReplacement(pageTable);evictPage(victimPage);loadPage(newPage, victimPage.frame);pageTable.updateAccessTime(newPage);
}

 

最少使用(LFU, Least Frequently Used)

LFU算法选择在最近时期使用最少的页进行调入。它假设使用频率最低的页在将来被访问的可能性也较低。

  • 实现:为每个页设置一个计数器,记录该页被访问的次数。每次访问页面时,增加该计数器的值。
  • 过程
    1. 发生缺页中断时,查找所有在内存中的页面,选择计数器值最小的页面(即最近使用最少的页面)。
    2. 替换选中的页面,将缺页页面调入内存。

示例伪代码

 

function lfuPageReplacement(pageTable) {leastUsedPage = pageTable[0];for each page in pageTable {if page.accessCount < leastUsedPage.accessCount {leastUsedPage = page;}}return leastUsedPage;
}function handlePageFault_LFU(pageTable, newPage) {victimPage = lfuPageReplacement(pageTable);evictPage(victimPage);loadPage(newPage, victimPage.frame);pageTable.updateAccessCount(newPage);
}

 

先进先出(FIFO, First In First Out)

FIFO算法选择最早进入内存的页进行调入。该算法利用队列的数据结构来管理页面按进入内存的先后顺序。

  • 实现:为页面设置一个队列,根据调入的先后顺序排列。
  • 过程
    1. 发生缺页中断时,选择队列中的第一个页(即最早进入内存的页面)。
    2. 替换选中的页面,将缺页页面调入内存,将新的页面添加到队列末尾。

示例伪代码

function fifoPageReplacement(pageQueue) {victimPage = pageQueue.head();pageQueue.dequeue();return victimPage;
}function handlePageFault_FIFO(pageQueue, newPage) {victimPage = fifoPageReplacement(pageQueue);evictPage(victimPage);loadPage(newPage, victimPage.frame);pageQueue.enqueue(newPage);
}

 

各页面调入策略的优缺点:

  • LRU

    • 优点:较符合实际应用的访问模式,能有效减少缺页中断的发生。
    • 缺点:实现复杂,需要维护访问时间记录,开销较大。
  • LFU

    • 优点:关注页面的访问频率,对于某些特定使用场景效果较好。
    • 缺点:实现复杂,需要维护访问计数器;如果某些页面使用突然频繁,可能导致性能不佳。
  • FIFO

    • 优点:实现简单,使用队列管理页面的调入顺序。
    • 缺点:可能不符合实际应用的访问模式,容易发生Belady异常(FIFO Anomaly),即增加页框反而增加缺页率。

 

结语

        请求分页存储管理方式是 commonly used 的虚拟内存管理技术,它通过在磁盘和内存之间移动页,实现了按需装入和虚拟内存。请求分页中的硬件支持包括请求页表机制和缺页中断机构,内存分配策略包括固定分配和可变分配,页面调入策略 commonly used LRU、LFU 和 FIFO 算法。了解请求分页存储管理方式,有助于我们理解虚拟内存的管理技术,并提高系统的性能和稳定性。

这篇关于请求分页存储管理方式的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1043557

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