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操作系统管程-地址-重定位-内存管理与存储管理

news 来源：原创 2024/11/15 4:45:48

管程的基本概念：

为什么会出现管程？

信号量机制的不足：程序编写困难、易出错

解决：

Brinch Hansen(1973)
Boare(1974)

方案：

在程序设计语言中引入管程成分
一种高级同步机制

管程的定义：

是一个特殊的模块

有一个名字

有关于共享资源的数据结构及在其上操作的一组过程组成

进程与管理

进程只能通过调用管程中的过程来间接的访问管程中的数据结构

管程作为一种同步机制，要解决两个问题：

互斥：

管程是互斥进入的

——为了保证管程中的数据结构的数据完整性

管程的互斥性是由编译器负责保证的

同步：

管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。

管程的实现有两种途径：

直接构造——>效率高

间接构造

——>用某种已经实现的同步机制去构造

为什么需要通信机制？

信号量及管程的不足
不适用多处理器情况

地址重定位

已经了解的：

程序装载到内存才可以运行

通常，程序以可执行文件格式保存在磁盘上

多道程序设计模型

允许多个程序同时进入内存

每个进程都有自己的地址空间

一个进程执行时不能访问另一个进程的地址空间

进程不能执行不适合的操作

静态重定位与动态重定位：

静态重定位：

当用户程序加载到内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换

——》一般可以由软件完成

动态重定位：

在进程执行过程中进行地址变换——即逐条指令执行时完成地址转换

——》需要硬件部件支持

内存管理

回收问题：

内存回收算法：

当某一块归还后，前后空闲空间合并，修改内存空闲区表

四种情况：

上相邻、下相邻、上下都相邻、上下都不相邻

碎片问题解决：

碎片——>很小的、不易利用的空闲区

——>导致内存利用率下降

解决方案——>紧缩技术

在内存移动程序，将所有小的空闲区合并为较大的空闲区

又称：压缩技术、紧致技术、搬家技术

紧缩时要考虑的问题：

系统开销、移动时机

交换技术

设计思想：进程在内存与磁盘之间的动态调度

存储管理

虚拟存储技术

当进程运行时，先将一部分装入内存，另一部分暂留在磁盘，当要执行的指令或访问的数据不在内存时，由操作系统自动完成将他们从磁盘调入内存的工作。

虚拟地址空间：

分配给进程的虚拟内存

虚拟地址：

在虚拟内存中指令或数据的位置上，该位置可以被访问，仿佛他是内存的一部分。

地址保护：

确保每个进程有独立的地址空间—— 防止地址越界
确保进程访问合法的地址范围—— 防止访问越权
确保进程的操作是合法的

引入反转（倒排）页表

地址转换：

从虚拟地址空间出发：虚拟地址——>查页表——>得到页框号——>形成物理地址
每个进程一张页表

解决思路：

从物理地址空间出发，系统建立一张页表
页表项纪录进程i的某虚拟地址（虚页号）与页框号的映射关系

快表（TLB）的引入

问题：

页表—>两次或两次以上的内存访问
CPU的指令处理速度与内存指令的访问速度差异大，CPU的速度得不到充分利用

如何加快地址映射速度，以改善系统性能？

程序访问的局部原理—>引入快表——高速缓存

快表是什么？

TLB——Translation Look-aside Buffers（翻译查找缓冲区）
相联存储器

特点：按内容并行查找

保存正在运行进程的页表的子集（部分页表项）

页错误PAGE FAULT

又称页面错误、页故障、页面失效
地址转换过程中硬件产生的异常

具体原因：

所访问的虚拟页面没有调入物理内存
- ——>缺页异常
页面访问违反权限（读/写、用户/内核）
错误的访问地址

缺页异常处理：

是一种Page Fault （页面错误）
在地址映射过程中，硬件检查页表时发现所要访问的页面不在内存，则产生该异常——缺页异常
操作系统执行缺页异常处理程序：获得磁盘地址，启动磁盘，将该页调入内存。
- 如果内存中有空闲页框，则分配一个页框，将新调入页装入，并修改页表中相应页表项的有效位及相应的页框号。
- 若内存中没有空闲页框，则要置换内存中某一页框；若该页框内容被修改过，则要将其写回磁盘。

页框锁定

为什么要锁定页面？

采用虚拟技术后
- 开销——>使进程运行时间变得不确定
给每一页框增加一个锁定位
通过设置相应的锁定位，不让操作系统将进程使用的页面换出内存，避免产生由交换过程带来的不确定的延迟。
例如：操作系统核心代码、关键数据结构、I/O缓冲区。

最佳页面置换算法（OPT）

设计思想：
- 置换以后不再需要的或最远的将来才会用到页面

先进先出算法（FIFO）

选择在内存中驻留时间最长的页并置换它。
对照：超市撤换商品
实现：页面链表法

最近最少使用算法（LRU）

Least Recently Used（最近最少使用算法）

选择最后一次访问时间距离当前时间最长的一页并置换

及置换未使用时间最长的一页

性能接近OPT
实现：时间戳或维护一个访问页的栈
- ——>开销大

最不经常使用算法（NFC）

Not Frequently Used

选择访问次数最少的页面置换

LRU的一种软件解决方案
实现：
- 软件计数器，一页一个，初值为0
- 每次时钟中断时，计数器加R
- 发生缺页中断时，选择计数器值最小的一页置换

工作集算法

基本思路：

找出一个不在工作集中的页面并置换它

思路：

每个页表项中有一个字段：记录该页面最后一次被访问的时间
设置一个时间值T
判断：根据一个页面的访问时间是否落在“当前时间-T”之前或之中决定其在工作集之外还是之内。

实现：

扫描所有页表项，执行操作

1.如果一个页面的R位是1，则将该页面的最后一次访问时间设为当前时间，将R位清零

2.如果一个页面的R位是0，则检查该页面的访问时间是否在“当前时间-T”之前

（1）如果是，则该页面为被置换的页面；

（2.）如果不是，记录当前所有被扫描过页面的最后访问时间里面的最小值。扫描下一个页面并重复1、2。

本讲重点：

典型的文件逻辑结构与文件存取：

流式文件：构成文件的基本单位是字符

文件是有逻辑意义、无结构的一串字符的集合
记录式文件：文件由若干个记录组成，可以按记录进行读、写、查找等操作
每条记录有内部结构

磁盘访问：

一次访盘请求：
读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）

完成过程由三个动作组成：

寻到（时间）：磁头移动定位到指定磁道
旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过
数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输。

有关数据结构：

位图：
- 用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每个物理块对应一位，分配的物理块为0，否则为1
- 申请物理块时，可以在位图中查找为1的位，返回对应物理块号
- 归还时，将对应位转置1
空闲块表：
- 将所有空闲块记录在一个表中，即空闲块表
- 主要两项内容：起始块号，块数
空闲块链表：
- 把所有空闲块链成一个链
- 扩展：成组链接法