操作系统相关知识（面试用）五、虚拟内存和一些零碎的知识点

虚拟内存：

一、什么是虚拟内存：

虚拟内存允许执行进程不必完全在内存中。

虚拟内存的基本思想是：每个进程拥有独立的地址空间，这个空间被分为大小相等的多个块，称为页(Page)，每个页都是一段连续的地址。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，由硬件立刻进行必要的映射；当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的命令。这样，对于进程而言，逻辑上似乎有很大的内存空间，实际上其中一部分对应物理内存上的一块(称为帧，通常页和帧大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上。如图所示：

 

二、页面置换算法：

最佳置换算法： 将当前页面中在未来最长时间内不会被访问的页置换出去。

先进先出置换算法： 简单粗暴的一种置换算法，每次置换最早调入的页面。

最近最久未使用算法LRU： 算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录上次页面被访问到现在所经历的时间t，每次置换的时候把t值最大的页面置换出去(实现方面可以采用寄存器或者栈的方式实现)。

时钟算法clock(也被称为是最近未使用算法NRU)： 页面设置一个访问位，并将页面链接为一个环形队列，页面被访问的时候访问位设置为1。页面置换的时候，如果当前指针所指页面访问为为0，那么置换，否则将其置为0，循环直到遇到一个访问为位0的页面。

改进型Clock算法： 在Clock算法的基础上添加一个修改位，替换时根究访问位和修改位综合判断。优先替换访问位和修改位都是0的页面，其次是访问位为0修改位为1的页面。

最少使用算法LFU： 设置寄存器记录页面被访问次数，每次置换的时候置换当前访问次数最少的。

 

三、虚拟内存的应用与优点

虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。虚拟内存的使用可以带来以下好处：

• 在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高。

• 解除了用户与内存之间的紧密约束，进程可以比内存的全部空间还大。

 

线程

线程是每个程序的必要部分，有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率差。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

• 一个程序至少有一个进程，一个进程至少有一个线程
• 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高
• 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率
• 每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

 

 

线程同步的方式

 

• 互斥量 Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问

• 信号量 Semphare：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量

• 事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作

 

 

颠簸

颠簸本质上是指频繁的页调度行为，具体来讲，进程发生缺页中断，这时，必须置换某一页。然而，其他所有的页都在使用，它置换一个页，但又立刻再次需要这个页。因此，会不断产生缺页中断，导致整个系统的效率急剧下降，这种现象称为颠簸（抖动）。

　　内存颠簸的解决策略包括：

• 如果是因为页面替换策略失误，可以修改替换算法来解决这个问题；

• 如果是因为运行的程序太多，造成程序无法同时将所有频繁访问的页面调入内存，则要降低多道程序的数量；

• 否则，还剩下两个办法：终止该进程或增加物理内存容量。