操作系统知识点回顾—内存和中断

矫情吗；* 2021-09-21 02:42 532阅读 0赞

### 一、虚拟内存 ###

**（一）概念**

**1.定义：**

具有**请求调入功能**和**置换功能**，能从逻辑上对**内存容量加以扩充**得一种存储器系统。其逻辑容量由内存之和和外存之和决定。

**2.与传统存储器比较虚拟存储器有以下三个主要特征**：

*  **多次性**，是指无需在作业运行时一次性地全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存运行。
 *  **对换性**，是指无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业的运行过程中，进行换进和换出。
 *  **虚拟性**，是指从逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内存容量，远大于实际的内存容量。

**3.虚拟内存的实现有以下两种方式**：

*  请求**分页存储**管理。
 *  请求**分段存储**管理。

**4.分页存储**

分页系统的核心在于，将虚拟内存空间和物理内存空间皆划**分为大小相同的页面**，如 4KB、8KB 或 16KB 等，并以**页面作为内存空间**的最小分配单位，**一个程序的一个页面可以存放在任意一个物理页面里。**

为了便于在内存中找到进程的每个页面所对应的物理块，**系统为每个进程建立一张页表**，记录页面在内存中对应的物理块号，页表一般存放在内存中。在配置了页表后，进程执行时，通过查找该表，即可找到每页在内存中的物理块号。可见页表作用是实现从页号到物理块号的地址映射，这种是页存储管理方式。如下图所示：  
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*  解决空间浪费**碎片化**问题
 *  解决程序**大小受限**问题

**5.分段存储**

**将用户程序地址空间分成若干个大小不等的段**，每段可以定义一组相对完整的逻辑信息。存储分配时，以段为单位，段与段在内存中可以不相邻接，也实现了离散分配，这种是段存储管理方式。如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzOTQ1MjQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**6.段页存储**

段页式管理就是将**程序分为多个逻辑段**，在每个段里面又进行分页，即将分段和分页组合起来使用。这样做的目的就是想同时获得分段和分页的好处，但又避免了单独分段或单独分页的缺陷。如果我们将每个段看做一个单独的程序，则逻辑分段就相当于同时加载多个程序。

**作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，然后再将每段分成若干个大小相等的页**。对于主存空间也分成大小相等的页，主存的分配以页为单位，这种是段页存储管理方式。如下图所示：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzOTQ1MjQ2_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

**7.内部碎片与外部碎片**

*  内部碎片是已经被**分配出去的的内存空间大于请求所需的内存空间**。
 *  外部碎片是指还没有分配出去，但是**由于大小太小而无法分配给申请空间的新进程的内存空间空闲块**。

**页式虚拟存储系统存在内部碎片；段式虚拟存储系统，存在外部碎片**

为了有效的利用内存，使内存产生更少的碎片，要对内存分页，内存以页为单位来使用，最后一页往往装不满，于是形成了内部碎片。

为了共享要分段，在段的换入换出时形成外部碎片，比如 5K 的段换出后，有一个 4k 的段进来放到原来 5k 的地方，于是形成 1k 的外部碎片。

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### 二、页面置换算法 ###

操作系统**将内存按照页面进行管理**，在需要的时候才把进程相应的部分调入内存。当产生缺页中断时，需要选择一个页面写入。如果要换出的页面在内存中被修改过，变成了 “脏” 页面，那就需要先写会到磁盘。页面置换算法，就是要选出最合适的一个页面，使得置换的效率最高。页面置换算法有很多，简单介绍几个，重点介绍比较重要的 LRU 及其实现算法。

**1.最优页面置换算法**

最理想的状态下，我们给页面做个**标记**，挑选一个**最远才会被再次用到的页面调出**。当然，这样的算法不可能实现，因为不确定一个页面在何时会被用到。

**2.先进先出页面置换算法（FIFO）及其改进**

这种算法的思想和队列是一样的，该算法总是**淘汰最先进入内存的页面**，即选择在内存中驻留时间最久的页面予淘汰。实现：把一个进程已调入内存的页面按先后次序链接成一个队列，并且设置一个指针总是指向最老的页面。**缺点：对于有些经常被访问的页面如含有全局变量、常用函数、例程等的页面，不能保证这些不被淘汰。**

**3.最近最少使用页面置换算法 LRU（Least Recently Used）**

根据页面调入内存后的使用情况做出决策。LRU 置换算法是选择**最近最久未使用的页面**进行淘汰。

1.  为每个在内存中的页面配置一个移位寄存器。（P165）定时信号将每隔一段时间将寄存器右移一位。**最小数值的寄存器对应页面就是最久未使用页面**。
2.  利用一个特殊的栈保存当前使用的各个页面的页面号。每当进程访问某页面时，便将该页面的页面号从栈中移出，将它压入栈顶。因此，栈顶永远是最新被访问的页面号，**栈底是最近最久未被访问的页面号。**

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### 三、中断 ###

1.定义：所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，**使得 CPU 暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序**。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。中断一般分为三类：

*  由**计算机硬件**异常或故障引起的中断，称为**内部异常中断**；
 *  由**程序中**执行了引起中断的指令而造成的中断，称为**软中断**（这也是和我们将要说明的**系统调用相关的中断**）；
 *  由**外部设备**请求引起的中断，称为**外部中断**。

简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。

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与中断紧密相连的一个概念就是中断处理程序了。当中断发生的时候，系统需要去对中断进行处理，对这些**中断的处理是由操作系统内核中的特定函数**进行的，这些处理中断的特定的函数就是我们所说的中断处理程序了。

另一个与中断紧密相连的概念就是**中断的优先级**。中断的优先级说明的是当一个中断正在被处理的时候，处理器能接受的中断的级别。中断的优先级也表明了中断需要被处理的紧急程度。每个中断都有一个对应的优先级，当处理器在处理某一中断的时候，只有比这个中断优先级高的中断可以被处理器接受并且被处理。优先级比这个当前正在被处理的中断优先级要低的中断将会被忽略。

典型的中断优先级如下所示：

**机器错误 > 时钟 > 磁盘 > 网络设备 > 终端 > 软件中断**

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### 四、系统调用 ###

在讲系统调用之前，先说下进程的执行在系统上的两个级别：用户级和核心级，也称为**用户态和系统态 (user mode and kernel mode)**。**核心态下的进程能够存取内核和用户地址，某些机器指令是特权指令，在用户态下执行特权指令会引起错误**。

用户空间就是用户进程所在的内存区域，相对的，系统空间就是操作系统占据的内存区域。用户进程和系统进程的所有数据都在内存中。**处于用户态的程序只能访问用户空间**，**而处于内核态的程序可以访问用户空间和内核空间。**

**1.用户态切换到内核态的方式如下：**

*  **系统调用**：程序的执行一般是在用户态下执行的，但当程序需要使用操作系统提供的服务时，比如说\*\*打开某一设备、创建文件、读写文件（这些均属于系统调用）\*\*等，就需要向操作系统发出调用服务的请求，这就是系统调用。
 *  **异常**：当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如**缺页异常**。
 *  **外围设备的中断**：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

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补充：**陷阱、中断、异常**。

*  **陷阱**：  
    陷阱指令可以使执行流程从**用户态陷入内核**（这也就是为什么叫做陷阱，而不是捕猎的陷阱）并把控制权转移给操作系统，使得用户程序可以调用内核函数和使用**硬件**从而获得操作系统所提供的服务，比如用视频软件放一个电影，视频软件就发出陷阱使用显示器和声卡从而访问硬件。
 *  **中断**：  
    中断是由**外部事件**导致并且它发生的时间是不可预测的，这一点和陷阱不同。外部事件主要是指**时钟中断，硬件中断**等。CPU 决定切换到另一个进程运行，就会产生一个**时钟中断**，切换到下一个进程运行。**硬件中断**顾名思义就是由硬件引起的中断，比如一个程序需要用户输入一个数据，但用户一直没有输入，操作系统决定是一直等待用户输入还是转而运行别的进程，一般情况是转而运行别的进程，如果用户的输入到来了，**那么键盘驱动器会产生一个中断通知操作系统**，操作系统保存正在运行的程序的状态，从而切换到原来的进程处理到来的数据。
 *  **异常**  
    异常就是程序执行过程中的异常行为。**比如除零异常，缓冲区溢出异常等**。不同的操作系统定义了不同种类和数量的异常并且每个异常都有一个唯一的异常号，**异常会扰乱程序的正常执行流程**，所以异常是在 CPU 执行指令时本身出现的问题，比如除数为零而出现的除零异常。异常的产生表示程序设计不合理，所以在编程的时候要尽量避免异常的产生。

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