[精品]探討虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理下處理缺頁(yè)中斷的方法.doc

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1、探討虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理下處理缺頁(yè)中斷的方法探討虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理下處理缺頁(yè)中斷的方法【摘?！筷P(guān)于操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理，現(xiàn)階段最成功的是虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理。本文旨在介紹如何利用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)提高操作系統(tǒng)的內(nèi)存利用率和通過(guò)已有的一些頁(yè)面置換算法來(lái)解決缺頁(yè)中斷的問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理；缺頁(yè)中斷；頁(yè)面置換算法1.介紹隨著程序越來(lái)越大和多道程序的并行運(yùn)行，內(nèi)存變成稀缺資源。在研究如何能在內(nèi)存有限的情況下運(yùn)行更多的程序時(shí)，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。利用虛擬存儲(chǔ)器，能夠在內(nèi)存有限的情況下，擴(kuò)展一部分外存作為虛擬內(nèi)存，真正的內(nèi)存只存儲(chǔ)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)所用得到的信息，即虛擬存儲(chǔ)器的邏輯容量由內(nèi)存容量與外存容量之

2、和決定。虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理，則是將進(jìn)程所需空間劃分為若干個(gè)大小相等的頁(yè)，內(nèi)存分為與頁(yè)大小相同的塊，當(dāng)程序需要運(yùn)行時(shí)，就將程序裝入內(nèi)存，內(nèi)存有幾塊，就裝得下幾頁(yè)。當(dāng)程序所需訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí)，就耍將耍訪問(wèn)的頁(yè)面調(diào)入到內(nèi)存中。這時(shí)，當(dāng)分配給該程序的內(nèi)存物理塊已滿，但是又需要調(diào)入新的頁(yè)面時(shí)，就會(huì)發(fā)生缺頁(yè)中斷。在頁(yè)面置換過(guò)程中，如何決定被調(diào)出物理塊的頁(yè)面,產(chǎn)生了像OPT、LRU、FTFO等常見(jiàn)的頁(yè)面置換算法。下面，我們就來(lái)仔細(xì)介紹。2.缺頁(yè)中斷的產(chǎn)生以及缺頁(yè)次數(shù)的判定2.1缺頁(yè)中斷的產(chǎn)生及處理過(guò)程在請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)中，每當(dāng)所耍訪問(wèn)的頁(yè)面不在內(nèi)存時(shí)，便耍產(chǎn)生一次缺頁(yè)中斷，這時(shí)，需耍將內(nèi)存中的一個(gè)或多個(gè)頁(yè)

3、而置換出來(lái)，才能將新的頁(yè)面調(diào)入內(nèi)存。這時(shí)，首先，要計(jì)算地址取得頁(yè)號(hào)，在取得頁(yè)號(hào)后，需要判斷程序執(zhí)行需要的頁(yè)面是否在內(nèi)存來(lái)決定是否發(fā)出缺頁(yè)中斷信號(hào)，如若發(fā)生缺頁(yè)中斷，需耍繼續(xù)判斷內(nèi)存中是否有空閑內(nèi)存塊來(lái)決定是否執(zhí)行頁(yè)面置換操作。接著再調(diào)入所需頁(yè)面，修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最后返回。2.2缺頁(yè)中斷次數(shù)的判定頁(yè)面置換次數(shù)和缺頁(yè)中斷次數(shù)是不等同的，只耍程序所需的頁(yè)面不在內(nèi)存，我們就可以判定為缺頁(yè)屮斷，而只有當(dāng)內(nèi)存屮沒(méi)有空閑內(nèi)存塊，且需耍從外存調(diào)入時(shí)，才會(huì)發(fā)生頁(yè)面置換。也就是說(shuō)，當(dāng)缺頁(yè)中斷出現(xiàn)吋，不一定要進(jìn)行頁(yè)面置換，而出現(xiàn)頁(yè)面置換吋必然產(chǎn)生缺頁(yè)中斷。那么，從理論分析的角度上來(lái)說(shuō)，計(jì)算缺頁(yè)次數(shù)應(yīng)該統(tǒng)計(jì)程序執(zhí)行

4、過(guò)程屮所有的頁(yè)而調(diào)入次數(shù)而不僅僅只統(tǒng)計(jì)運(yùn)行過(guò)程中的頁(yè)面置換次數(shù)。但是，盡管已經(jīng)限定前提的條件下，不同的假設(shè)條件，缺頁(yè)次數(shù)的計(jì)算結(jié)果是不一樣的。比如說(shuō)，目前教材上比較偏愛(ài)假定程序開(kāi)始執(zhí)行前內(nèi)存屮沒(méi)有頁(yè)面，但是現(xiàn)實(shí)情況是,多數(shù)情況下，程序開(kāi)始執(zhí)行前，內(nèi)存中是有頁(yè)面的，那么不同的頁(yè)面以及不同的頁(yè)面數(shù)量無(wú)疑會(huì)對(duì)缺頁(yè)次數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生影響。再者，不同的頁(yè)面置換算法同樣會(huì)對(duì)缺頁(yè)次數(shù)產(chǎn)生影響。3.頁(yè)面置換算法頁(yè)面置換算法的好壞將直接影響系統(tǒng)的性能，不適當(dāng)?shù)乃惴赡軙?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的“抖動(dòng)”，即剛被換出的頁(yè)面很快乂被訪問(wèn)，需重新調(diào)入。因此，一個(gè)好的頁(yè)面置換算法，應(yīng)具有較低的頁(yè)面更換頻率。3.1OPT(最優(yōu)頁(yè)面置換)

5、算法OPT算法是1996年由Belady在理論上提出的一種算法，它的基本思想是：在選擇頁(yè)面置換時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選擇將來(lái)不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面或者在最長(zhǎng)時(shí)間后才被訪問(wèn)的頁(yè)而。因?yàn)橄到y(tǒng)的不可預(yù)測(cè)性，所以O(shè)PT只是理論上存在的完美算法。但是，我們可以通過(guò)OPT算法的理想結(jié)果分析其他算法的優(yōu)劣性。3.2LRU頁(yè)而置換算法及LRU近似頁(yè)面置換算法LRU算法是最貼近于OPT算法的一種算法，它的基本思想是：選擇最近最長(zhǎng)一段吋間里沒(méi)有被訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)置換掉。但是它需要較多的硬件支持。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，要為頁(yè)表中的每個(gè)表項(xiàng)附加一個(gè)使用時(shí)間寄存器,CPU內(nèi)附加一個(gè)邏輯吋鐘，在每次訪問(wèn)發(fā)牛時(shí)都必須將時(shí)鐘的內(nèi)容復(fù)制到使用時(shí)間寄存器，這樣

6、大大加大了硬件的成本，所以生活中我們經(jīng)常使用LRU的一些近似算法。LRU近似算法有LFU頁(yè)面置換算法和NUR頁(yè)面置換算法。LFU算法的思想是:選擇當(dāng)前吋刻為止訪問(wèn)次數(shù)最少的一頁(yè)置換出去。而NUR算法的思想是：選擇當(dāng)前時(shí)刻為止最久未被訪問(wèn)的頁(yè)置換出去。但是，考慮到修改過(guò)的頁(yè)面還需要寫冋磁盤，所以改進(jìn)后NUR算法還把頁(yè)面的修改位考慮進(jìn)來(lái)了。改進(jìn)后的NUR算法為每一頁(yè)增加一位訪問(wèn)位和修改位，并且按(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)的順序優(yōu)先選擇置換出去的頁(yè)而。4.頁(yè)而置換算法的應(yīng)用發(fā)展頁(yè)面置換算法的改進(jìn)已H趨成熟，比如說(shuō)面向Flash存儲(chǔ)的頁(yè)面置換算法，它是針対Flash存儲(chǔ)設(shè)備組成

7、的存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。而在完善頁(yè)面置換算法的過(guò)程中，也有很多研究者提出了種種辦法，例如具有診斷功能的頁(yè)面置換算法研究，它在傳統(tǒng)的頁(yè)面置換算法的基礎(chǔ)上，加入了診斷功能，使算法的缺頁(yè)率和異?，F(xiàn)象有所優(yōu)化。但是到目前為止，沒(méi)有一種算法完全貼近OPT算法理想狀態(tài)下的缺頁(yè)次數(shù)結(jié)果。在未來(lái)的研究發(fā)展中，會(huì)不會(huì)有一個(gè)新的視角來(lái)看待頁(yè)而置換算法，這有待所有研究者的努力付出。參考文獻(xiàn)：[1]范輝，謝青松?操作系統(tǒng)原理與實(shí)訓(xùn)教穆（第二