和春技術學院資訊管理系 九十三學年度第一學期

系統程式

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講師：毛立仁

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第六章 虛擬記憶體管理

     6-1 虛擬記憶體管理策略 6-2 需求式分頁系統的效能評估 6-3 分頁的取代策略 6-4 動盪現象 6-5 畢雷帝的異常現象 2

6-1 虛擬記憶體管理策略

   虛擬記憶體的管理策略依其存取程式、 資料的時機可分成兩種類型：(此處將以 分頁系統做討論) (1) 需求式分頁策略 (Demand Paging) (2) 預期式分頁策略 (Anticipatory Paging) 3

需求式分頁策略

需求式分頁策略是種最一般化的虛擬記 憶體系統 (Virtual Memory System)， 此種策略可視為具有置換 (Swap) 能力 的分頁系統。程式中的各頁無需整個置 放於記憶體內，僅有在程式確實需要取 用此頁時，才會將它從次儲存體中載入 主記憶體中。 4

預期式分頁策略

此種策略與需求式分頁策略相類似，其 不同在於作業系統會預先判斷可能會需 要的頁次 (依據局限性 (Locality) 的 特性判斷)，而預先將該頁載入主記憶體 中，藉以減少等候的時間。在記憶體空 間夠大時，可以採用此法。 5

6-2 需求式分頁系統效能評估

     需求式分頁系統的效能一般是以有效存取時間 (Effective Access Time) 為評估依據。假設 p：發生取頁失敗 (Page Fault) 的機率。 t ma ：至記憶體中存取資料所需花費的時間 (Memory Access Time)。 t pf ：處理取頁失敗所需花費的時間 (Page Fault Time)。則 有效存取時間 = (1 - p)  t ma + p  t pf 。 6

取頁失敗 (Page Fault)

若 CPU 所要使用的頁 (Page) 目前並沒有 在記憶體內，則謂之取頁失敗。此現象可 由頁映成表 (Page Map Table) 中的頁駐 存位元 (Page Resident Bit) r = 0 得知。 7

當取頁失敗發生時，OS 會有如下的處理步驟： (1) CPU 會檢測所參考到的位址 (Reference Address) 是否為有效的位址。如果所參考到的 位址不是有效的位址，則中止此程式的執行。 (即產生一個中斷 (Trap))。 (2) 如果所參考到的位址是有效的位址，但所 需求的頁 (Page) 目前並不在記憶體內 (即頁 駐存位元 r = 0)，則發出取頁失敗的訊息，準 備由次儲存體將所需求的頁載入記憶體中。 (3) 從記憶體中找尋一個可用的頁幅 (Free Frame)，以供該頁載入時使用。 8

(4)將所需求的頁由次儲存體載入指定的頁幅中。 (5)在該需求頁已載入記憶體後，更改頁映成表 (Page Map Table) 內頁駐存位元的值為 r = 1，以指示此需求頁目前已經在記憶體內。 (6)重新執行在發生取頁失敗前的指令。即重新自 記憶體中讀取剛才程式中所需求的頁。  °Ñ¦Ò¨ìªº-¶ LOA D A r = 0  ¨ú-¶¥¢±Ñ ªº°T®§  ©Ò»Ý¨D¤§-¶¦b ¦¸Àx¦sÅ餤  -«·s °õ¦æ -¶¬M¦¨ªí OS µ{¦¡ ¥i¥Îªº-¶´T (Free Frame) ¦¸Àx¦sÅé  ¸ü¤J©Ò»Ý¨Dªº-¶  -קï-¶¬M¦¨ªí ¨Ï r=1 ¥D°O¾ÐÅé 9

6-3 分頁的取代策略

當發生一個取頁失敗時，而且在記憶體中 所有的頁幅皆已被佔滿時，則此時那一頁 該被移走，以便能從次儲存體中載入所需 要的頁。在本章節中將介紹各種分頁取代 策略 (Page Replacement Strategy) 來處 理取頁失敗之情況。 10

  範例： 設有一參考字串 (Reference String) 如下： FABCADAECDADCBCABFAB 且假設記憶體中僅有 3 個頁幅 (Frame)。 11

最佳取代原則(Optimal Replacement)

它是個理想化的取代法則，它可以預測 未來，被取代的頁是要經過一段很長的 時間才會再被用到的頁，此法並不切實 際，且非常難實現。 °Ñ¦Ò¦r¦ê¡G F A B F F F C C A C D C A C E C C C D C A C D C C C B C C C A C B C F F A F B F A A B A B A B A D A D E D E D E D A D A D A D A B A B A B A B A B A B A B -¶´T 總共有 9 次的取頁失敗 (Page Fault)。 12

先進先出取代法(First-In-First-Out,FIFO) 此方法在頁被載入時，便記錄其載入記憶 體的時間，時間愈早者，愈先被取代。缺 點是被取代的頁常是將馬上會被使用的。 °Ñ¦Ò¦r¦ê¡G F A B F F F C A A D A B A C E D C D A E A C D C C C B C D A A A B A F B A C B F A A B B C B C C D D A A E E C C D D A D A D A A B B C B C B C C F F A A B -¶´T 總共有 15 次的取頁失敗 (Page Fault)。 13

最久未用的頁取代法(Least Recently Used,LRU) 選擇最久未再被使用到的頁為取代對象。缺點 是每次使用時，便需要記錄被使用時的時間， 故浪費 CPU 時間，同時很久未被使用的頁可 能馬上就會被用到。例如在較大的迴路 (Loop) 中就常有這種情況發生。 °Ñ¦Ò¦r¦ê¡G F A B F F F C A A B D C A C E D C D A E A C D C C A B D C D A B B C F A A B B F A A B B C C A A D A D A E E C C D D A A D D C C B B C C A A B B F F A A B -¶´T 總共有 12 次的取頁失敗 (Page Fault)。 14

最不常用的頁取代法(Least Frequetly Used,LFU) 每個頁都會有一個參考計數器 用來計錄該頁 被參考的次數，該頁每被參考一次，則計數器 加 1，被取代的對象為該頁的計數器值最小者。 此方法的缺點是最不常用的頁可能就是剛拿進 來不久的頁；因此，該頁會馬上被取代掉。 °Ñ¦Ò¦r¦ê¡G F A B C A D A E C D A D C B C A B F A B F F F C C C C E E D D D D B B B B F F B A A A A A A A A A A A A A A A A A A A B B B D D D C C C C C C C C C C C C -¶´T A=0 B=0 C=0 D=0 E=0 F=1 A=1 B=0 C=0 D=0 E=0 F=1 A=1 B=1 C=0 D=0 E=0 F=1 A=1 B=1 C=1 D=0 E=0 F=1 A=2 B=1 C=1 D=0 E=0 F=1 A=2 B=1 C=1 D=1 E=0 F=1 A=3 B=1 C=1 D=1 E=0 F=1 A=3 B=1 C=1 D=1 E=1 F=1 A=3 B=1 C=2 D=1 E=1 F=1 A=3 B=1 C=2 D=2 E=1 F=1 A=4 B=1 C=2 D=2 E=1 F=1 A=4 B=1 C=2 D=3 E=1 F=1 A=4 B=1 C=3 D=3 E=1 F=1 A=4 B=2 C=3 D=3 E=1 F=1 A=4 B=2 C=4 D=3 E=1 F=1 A=5 B=2 C=4 D=3 E=1 F=1 A=5 B=3 C=4 D=3 E=1 F=1 A=5 B=3 C=4 D=3 E=1 F=2 A=6 B=3 C=4 D=3 E=1 F=2 A=6 B=4 C=4 D=3 E=1 F=2 總共有 11 次的取頁失敗 (Page Fault)。 15

近來未用的頁取代法(Not Used Recently,NUR) 其觀念為如果最近未被使用到的頁，則它在最近 的一段時間內也將比較不會被使用到，此種觀念 以乎比較合理。此法必須在每一個頁上附加兩個 取用位元，且隨時需要更新。 (1)參考位元 (Referent Bit)，0 表示此頁沒有 使用過，1 表示已被使用過。 (2)修改位元 (Modified Bit)，0 表示此頁未被 修改過，1 表示已被修改過。 16

NUR 策略如下： 當需要取代一個頁時，則以一個仍未被使用過 的頁為優先慮的對象。若是全部的頁都已使用 過，則選擇以未被修改的頁為優先考慮。而且 被取代的頁若是已經被修改過，則必須重新寫 回次儲存體；否則，直接蓋掉即可。採用此種 方式時，必須需週期性的把取用位元重新設定 為零；否則，會喪失應用的功能 (因時間過久 時，所有的頁將都會被參考過或修改過)。 17

LRU 之二次機會法(LRU Second Chance) 就 LRU 之二次機會法的基本觀念而言，它是類 似於 FIFO 替換法則。該替換法則的作業方式是 循序選擇一個頁並檢查該選定頁的參考位元。若 是該參考位元為 0，則取代該頁；反之，若是該 參考位元為 1，則將該參考位元重新設為 0。在 所有的參考位元皆為 1 的情況下，則此取代法 則將退化成 FIFO 替代法則。因為在第一次時， 它會逐一選定某頁並檢查該頁之參考位元後，每 一頁的參考位元皆已被重新設定為 0，所以又重 頭 (第二次) 選取第一頁並檢查其參考位元。因 為此時該參考位元已為 0，故取代該頁。 18

任意頁取代法(Random Page Replacement) 隨意選擇一頁為取代的對象，因效果不 佳，故此法很少被採用。 19

6-4 動盪現象

當取頁失敗 的頻率過高時，則會有過多 的取頁與頁取代的動作，使得有太多的 CPU 時間花費於頁的取入 與取出 ，而 僅有少量的 CPU 時間真正的用於程式的 執行。此種現象謂之動盪現象 (Thrashing)。 20

理論上，增加多程式的程度 會增加 CPU 的使用 率，但是當多程式的程度到達某一程度時，再繼 續增加多程式的程度反而會降低 CPU 的使用率。 因為多程式的程度增加，相對的取頁失敗 的機 率亦會增加，因而造成動盪現象，CPU 的使用率 自然就降低了。 CPU ³Ì¤j¨Ï¥Î²v CPU ¨Ï¥Î²v (Degree of Multiprogramming) ¦hµ{¦¡¤§µ{«× ¶}©l²£¥Í°ÊÀú¡A CPU ªº¨Ï¥Î²v¶}©l«æ³t¤U-° 21

降低發生動盪的方法

(1) 局限性 (Locality) (2) 工作組 (Working Set) 22

局限性(Locality)

由經驗法則中得知，儲存體的存取經常具 有局限性的現象；即處理單元在執行時經 常傾向於以不規則的方式取用儲存體，但 是卻常局限於某一局部的區域。局限性的 表現有時間 (Temporal) 與空間 (Spatial) 兩種。 23

時間局限性 (Temporal Locality)： 表示剛才被使用過的資料很可能不久又會再被使用 到。 例如：   迴路 (Looping) 副程式 (Subrountines)  堆疊 (Stack)  用 做 計 數 的 變 數 Counting) (Variable Used For 24

 空間局限性 (Spatial Locality)： 若某一位置的資料被取用到，則在其附 近位置的資料也極有可能馬上會被取用。 例如：   矩陣的運算     程式的循序性執行 程式設計師常把相關的變數放在一起 25

工作組(Working Set)

由於處理單元在執行時常具有局限性的特性，而 所謂的工作組即是處理單元在某段時間內所有取 用到的頁的集合。工作組是一個為了使處理單元 執行時更有效率，而必須放在主儲存體中的頁所 形成的集合。處理單元在某一執行時段內會較偏 重於某部份的頁次 (即工作組)，僅有在程式執 行位址有明顯變動時 (例如：跳出迴圈外)，才 又會形成另一個工作組。故可依此觀念設計工作 組取代策略，使工作組均放在主儲存體裡，系統 依據頁的置換程度而動態性的調整工作組的大小。 26

6-5 畢雷帝的異常現象

直覺上增加記憶體內頁框的數量應會使得 取頁失敗的次數降低，但事實上並非如此。 所謂畢雷帝異常現象 (Belady's anormaly) 即是在採用頁替換法則時，當頁框的個數 增加時，其取頁失敗的次數不降反增之現 象。 27

 範例： 假設有一參考字串為 A B C D A B E A B C D E，且採用 FIFO 取代法則時， ²¦¹p«Ò (Belady) ªº²§±`²{¶H «h·í-¶®Ø¼Æ¬° 2 ®É¡A¦@¦³ 12 ¦¸ªº¨ú-¶¥¢±Ñ¡C «h·í-¶®Ø¼Æ¬° 3 ®É¡A¦@¦³ 9 ¦¸ªº¨ú-¶¥¢±Ñ¡C «h·í-¶®Ø¼Æ¬° 4 ®É¡A¦@¦³ 10 ¦¸ªº¨ú-¶¥¢±Ñ¡C «h·í-¶®Ø¼Æ¬° 5 ®É¡A¦@¦³ 8 ¦¸ªº¨ú-¶¥¢±Ñ¡C 28