操作系统面试—虚拟内存

本文是对操作系统概念（第七版）——虚拟内存的学习总结，不足之处，欢迎批评指正。

1、虚拟内存的理解：

先将部分程序导入内存，执行完成后导入下一部分程序，给我们的感觉是内存变大了，实际上物理内存的大小并未发生变化。

虚拟内存的优点：

（1）将逻辑内存和物理内存分开。

（2）虚拟内存允许文件和内存通过共享页而为两个或多个进程所共享。

2、按需调页

按需调页：顾名思义，在需要时才调入相应的页。

支持按需调页的硬件：

（1）页表：该表能够通过有效-无效为或保护位的特定值，将条目设为无效。

（2）次级存储器（交换空间，通常为快速磁盘）

3、写时复制

这种技术允许父进程与子进程开始时共享共享同一个页面，这些页面被标记为为写时复制页，即如果任何一个进程需要对页进行写操作，那么就创建一个共享页的副本。

4、页面置换（重要）

页置换采用如下方法：如果没有空闲帧，那么就查找当前没有使用的帧，将其释放。

（1）查找所需页在磁盘上的位置

（2）查找一个空闲帧

a，如果有空闲帧，那么就使用它，

b，如果没有，使用页置换算法选择一个牺牲帧

c，将牺牲帧的内容写到磁盘上，改变页表和帧表

（3）将所需页读入空闲帧，改变页表和帧表

（4）重新启动程序。

常见的页置换算法

（I）FIFO页置换

最先进入的页被置换。

需要注意的是FIFO页置换会有一种特殊现象——Belady异常：对有的页置换算法，页错误率可能随着所分配的帧数的增加而增加。FIFO可能就出现这种现象。

（II）最优页置换opt

置换最长时间不会使用的页，即能预知将来的情况。但是将来的情况我们无法预知，因此这种算法难以实现。

（III）LRU页置换（最近最少使用算法least-recently-used algorithm）

FIFO使用的是页调入内存的时间，OPT使用的是将来的时间。

LRU置换为每个页关联上上一次使用的时间，当必须置换一页时，LRU选择最长时间没有使用的页。

最优置换和LRU置换都没有Belady算法（证明略）

（IIII）近似LRU页置换

页表中的每一项都关联一个引用位，每当引用一个页时，相应的位就被置位。因此我们虽然不知道引用顺序，但是我们知道哪些页被引用，哪些未被引用。近似LRU算法又有一下三种方法：

（a）附加引用位算法

通过在规定时间间隔里记录引用位。

0000000,11111111，上述两个字节分别表示在8个周期内从未被引用和一直被引用的情况。因此值最小，就是应该置换的页。

（b）二次机会算法

这种算法只有引用位本身，没有历史位，因此只有一位。当要选择一个页时，检查引用位，如为0，直接置换，如为1，则给该页二次机会，同时清0，寻找下一个0位置，所以而二次机会算法的基本算法是FIFO算法。

（c）增强型二次机会算法

通过将引用为和修改位作为一对有序位来考虑。

（0,0）——最近未使用且未修改过

（0,1）——最近未使用但修改过

（1,0)——最近使用但为修改过

（1,1）——使用且修改过

（IIIII）基于计数器的页置换

为每一个页保留一个用于记录其引用次数的计数器，因而可以形成以下两种方案：

最不经常使用页置换算法（LFU）——置换出引用次数最小的页

最常使用页置换算法（MFU）——认为最小次数的页可能刚刚调入，且还没有使用。

（IIIIII）页缓冲算法

系统保留一个空闲帧缓冲池，当出现页错误时，会选择牺牲帧，但是牺牲帧写出之前，所需要的页就从缓冲池中读到空闲内存。这样加速了重启。

5、帧分配

研究问题：如何在各个进程之间分配一定的空闲内存？

由于性能原因，必须有足够的帧来容纳所有单个指令所引用的页，因此有一个帧的最小数量的限制。帧的最小数量是有计算机体系结构决定的，而最大数量是由物理内存决定的。

（1）分配算法

平均分配，比例分配（比例可以根据进程大小或者优先级等来计算）

（2）全局分配和局部分配

全局分配：允许一个进程从所有帧集合中选择一个置换帧

局部分配：每个进程只能从自己的分配帧中选择置换。

6、系统颠簸

频繁的页调度操作

原因：当多道程序的程度增加到一定时，会引起颠簸

7.内核内存的分配

内核内存分配的特殊性：

（1）内核需要为不同大小的数据结构分配内存，因此必须谨慎分配内存。

（2）有的硬件需要直接和物理内存打交道，因此需要内存常驻在连续的物理页中。

以上两个特殊性是的内核内存的分配通常是从空闲池中获取，，而不是从内存链表中获取。

常见的内核内存分配有两种方法：

（i）Buddy系统分配

内存按2的幂的大小进行分配，如果请求大小大于当前2的幂内存，那么调整到下一个2的幂。

（II）slab分配

slab是由一个或多个物理上连续的页组成。高速缓冲cache含有一个或者多个slab，每个内核数据结构都含有一个cache，每个cache含有内核数据结构的对象实例。

优点：

（1）没有因碎片引起的内存浪费。因为每个数据结构都有一个cache，每个cache都有若干个slab组成，而每个slab又分为若干个和对象大小相同的部分。

（2）内存请求可以快速满足。