目录

多道程序环境下的对换技术

对换技术的基本思想

对换技术的目标

对换技术的实现

对换技术的挑战

对换技术的改进

对换区的管理

对换区的分配

对换区的位置

对换区的大小

对换策略

多层次对换区管理

进程的换出与换入

1. 换出（Swapping Out）

换出过程

2. 换入（Swapping In）

换入过程

3. 对换技术的注意事项

备份存储

换入换出时间

进程状态

系统负荷

综合示例

覆盖

覆盖技术的基本思想

覆盖结构的优点

覆盖技术的缺点

覆盖实现的示例

覆盖技术的历史背景与现代替代方案

结语

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多道程序环境下的对换技术

        在多道程序环境中，操作系统需要有效地管理内存，以便同时处理多个进程。然而，当系统内存不足以容纳所有进程时，对换技术（Swapping）可以将暂时不需要执行的进程移到辅存（如硬盘）中，从而腾出内存空间。对换技术使得处理器调度程序可以有效地调度进程，提高系统的内存利用率和整体吞吐量。

对换技术的基本思想

对换技术是指在内存和辅存之间移动进程的技术。它包括两个主要操作：

1. 换出（Swap Out）

   • 定义：将处于等待状态或暂时被剥夺运行权的进程从内存移到辅存。
   • 过程：操作系统选择一个或多个不活跃的进程，将其当前状态保存到辅存中，释放其占用的内存空间。
   • 优点：腾出内存空间供其他进程使用，提高内存利用率。

2. 换入（Swap In）

   • 定义：将准备好竞争处理器运行的进程从辅存移到内存。
   • 过程：当一个进程需要重新运行时，操作系统将其从辅存中加载回内存，并恢复其运行状态。
   • 优点：进程可以继续执行，而无须重新启动，提高系统响应和吞吐量。

对换技术的目标

对换技术旨在实现以下目标：

1. 足够快的进程对换：对换操作需要尽可能快速，以最小影响系统性能，使得在处理器调度程序重新调度时，总有进程在内存中处于就绪状态。
2. 高内存利用率：通过动态调整内存分配，确保内存资源得到高效利用。
3. 高系统吞吐量：确保操作系统能同时处理更多的进程，提高整体系统的处理能力。

对换技术的实现

对换操作涉及以下步骤：

1. 选择要换出的进程：操作系统根据优先级、进程状态和内存占用情况选择适当的进程进行换出。
2. 保存进程状态：将选中的进程当前的CPU寄存器、程序计数器、内存数据等状态信息保存到辅存中。
3. 释放内存：释放该进程占用的内存空间，以供其他进程使用。
4. 换入进程：从辅存加载一个待执行的进程，将其状态恢复到内存，并将任务交给调度程序。

对换技术的挑战

1. 对换开销：对换操作涉及大量的I/O过程，可能会带来显著的性能开销，需要优化对换频率和I/O操作。
2. 存储管理：需要有效管理辅存中的进程数据，确保换入换出操作的正确性和效率。
3. 内存碎片：频繁的对换操作可能导致内存碎片化，影响内存利用率，需要采用内存压缩或内存整理技术。

对换技术的改进

现代操作系统通过以下方式改进对换技术：

1. 虚拟内存与分页技术：通过虚拟内存和分页技术，减少整个进程的对换，只需对换部分页面，从而降低开销和提高性能。
2. 预读和预写：在对换操作中采用预读和预写策略，提前加载和写回数据，减少等待时间。
3. 智能调度：使用智能化的调度算法，根据进程的优先级、历史行为和资源需求来决策换入换出操作，优化系统整体性能。

 

对换区的管理

在多道程序环境中，对换区（Swap Space）是用于存放换出进程数据的辅存区域。对换区的管理涉及对其分配、位置、大小和对换策略的高效设计和实施，以确保系统性能和稳定性。

对换区的分配

对换区的分配策略有两种主要方法：

1. 预分配（Pre-Allocation）

   • 过程：在进程创建时立即分配所需的对换区空间。
   • 优点：提前保证了内存不足时的存储空间，避免在内存紧张时延迟分配的开销。
   • 缺点：可能导致对换区的低效利用，因为有些进程可能在整个生命周期中并不需要对换空间。

2. 动态分配（Dynamic Allocation）

   • 过程：只有在进程实际需要换出时才分配对换区空间。
   • 优点：提高对换区的利用率，节约存储空间。
   • 缺点：在内存紧张时，动态分配可能导致额外的开销和延迟。

对换区的位置

对换区的位置设计旨在提高数据读写速度和系统性能：

1. 独立对换区

   • 特点：对换区作为磁盘上的一个独立区域，不属于任何文件系统。
   • 优点：提高了对换的速度，因为对换区没有文件系统的开销，顺序读写速度较高。
   • 位置选择：
     • Dedicated Swap Partitions：专用对换分区，独立管理，对速度优化。
     • Swap Files：在文件系统上创建的大文件，灵活性较高，但速度略低于专用分区。

2. 多对换区

   • 特点：在多个物理磁盘上分布多个对换区。
   • 优点：分散I/O负载，提高并行读写性能。
   • 实施：操作系统会在不同对换区之间进行负载均衡，优化对换性能。

对换区的大小

对换区的大小应根据系统的进程数量、内存空间及具体应用需求来确定：

1. 常用建议：
   • 传统建议：对换区大小通常为物理内存的2倍，以保证足够的交换空间。
   • 现代建议：对换区大小应基于系统使用情况、应用需求和内存大小灵活调整。例如，高内存系统（>16 GB）可能仅需要与物理内存相等的对换区，高负载服务器则可能需要更大的对换区。
2. 动态调整：
   • 系统监控：操作系统可以动态监控对换区使用情况，并在必要时调整对换区大小，或增加新的对换分区/文件。

对换策略

对换策略决定了哪些进程应该被换出，优化系统性能和资源利用：

1. 时间片轮转法（Round-Robin Algorithm）

   • 过程：按照进程在就绪队列中的顺序依次轮流换进换出。
   • 优点：公平性高，每个进程都有机会获得内存资源。
   • 缺点：可能导致频繁的对换操作，增加系统开销。

2. 基于优先级调度（Priority-Based Algorithm）

   • 过程：根据进程的优先级进行对换，优先级高的进程更不容易被换出。
   • 优点：保证高优先级进程的执行，提高系统响应速度。
   • 缺点：可能导致低优先级进程长时间得不到执行。

3. 最久未使用算法（Least Recently Used, LRU）

   • 过程：将最久未被使用的进程或页面优先换出。
   • 优点：利用时间局部性原则，减少频繁访问页面的对换。
   • 缺点：需要相对复杂的硬件或软件支持来跟踪页面使用情况。

4. 最不常用算法（Least Frequently Used, LFU）

   • 过程：将使用频率最低的页面或进程换出。
   • 优点：适用于频繁访问常用页面的场景。
   • 缺点：需维护访问频率统计，增加开销。

多层次对换区管理

        现代操作系统通常采用多层次的对换区管理策略，包括内存管理单元（MMU）、页面置换算法和swap daemon服务等，来优化对换和内存使用。例如：

1. MMU（Memory Management Unit）：硬件支持下的虚拟内存管理，进行地址转换和页面置换。
2. 页面置换算法：操作系统内部多种置换算法的组合使用，如LRU、FIFO等，实现高效页面管理。
3. Swap Daemon：用于后台管理对换区，监控内存和交换空间的使用情况，动态调整和优化对换操作。

进程的换出与换入

        进程的换出与换入是操作系统内存管理中的关键技术，用于在内存资源紧张时有效管理多个进程。

1. 换出（Swapping Out）

        当内存空间不足时，操作系统需要将某些进程从内存移到对换区（通常是磁盘上的一个区域），以腾出内存空间给其他进程使用。

换出过程

1. 选择进程：内存管理器选择一个处于等待状态或暂时不需要执行的进程。
2. 保存状态：保存进程的当前状态，包括寄存器内容、程序计数器、内存映射等。
3. 更新内存映射表：更新内存映射表，标记该进程所使用的内存空间为可用。
4. 移到对换区：将进程的内存映像移到对换区。

示例：

void swap_out_process(Process *process) {// 保存进程状态save_process_state(process);// 更新内存映射表update_memory_mapping(process, SWAPPED_OUT);// 将进程移到对换区write_to_swap_space(process->memory_image, process->swap_location);
}

 

2. 换入（Swapping In）

当处理器需要执行某个不在内存中的进程时，操作系统需要将该进程从对换区移回内存。

换入过程

1. 分配内存：为需要换入的进程分配内存空间。
2. 从对换区加载：将进程的内存映像从对换区加载到内存中。
3. 恢复状态：恢复进程的状态，包括寄存器内容、程序计数器、内存映射等。
4. 更新内存映射表：更新内存映射表，标记该进程所使用的内存空间为已占用。
5. 就绪状态：将进程置于就绪状态，等待处理器调度执行。

示例：

void swap_in_process(Process *process) {// 分配内存allocate_memory_for_process(process);// 从对换区加载read_from_swap_space(process->memory_image, process->swap_location);// 恢复进程状态restore_process_state(process);// 更新内存映射表update_memory_mapping(process, SWAPPED_IN);// 将进程置于就绪状态set_process_ready(process);
}

 

3. 对换技术的注意事项

对换技术在实际应用中需要注意以下几个问题：

备份存储

• 快速磁盘：对换区通常使用快速磁盘，以减少换入换出的时间开销。
• 足够空间：对换区需要足够大，以容纳多个进程的内存映像。

换入换出时间

• 执行时间：为了有效利用处理器，需要确保进程的执行时间比换入换出时间长。频繁的换入换出会导致系统性能下降。

进程状态

• 空闲状态：换出进程时，必须保证该进程处于完全空闲状态，以避免数据不一致和状态丢失。

系统负荷

• 负荷调节：对换通常在有很多进程运行且内存空间紧张时开始，而在系统负荷降低时暂停。操作系统需要动态调整对换策略，以平衡系统性能和内存利用率。

综合示例

以下是一个综合示例，展示了进程换出与换入的完整过程：

typedef struct {void *memory_image;int swap_location;int state;// 其他进程状态信息
} Process;void swap_out_process(Process *process) {// 保存进程状态save_process_state(process);// 更新内存映射表update_memory_mapping(process, SWAPPED_OUT);// 将进程移到对换区write_to_swap_space(process->memory_image, process->swap_location);// 更新进程状态process->state = SWAPPED_OUT;
}void swap_in_process(Process *process) {// 分配内存allocate_memory_for_process(process);// 从对换区加载read_from_swap_space(process->memory_image, process->swap_location);// 恢复进程状态restore_process_state(process);// 更新内存映射表update_memory_mapping(process, SWAPPED_IN);// 将进程置于就绪状态set_process_ready(process);// 更新进程状态process->state = SWAPPED_IN;
}int main() {Process process;// 假设进程已经初始化并在对换区中// 换入进程swap_in_process(&process);// 执行进程execute_process(&process);// 换出进程swap_out_process(&process);return 0;
}

 

覆盖

        覆盖技术是早期计算机系统中一种用于优化内存使用的管理技术，适用于在内存资源受限的情况下运行较大程序。覆盖技术通过将程序分段，按需载入内存，来突破内存限制，使得较大程序能够在有限的内存中执行。

覆盖技术的基本思想

覆盖技术的核心思想是将程序分为固定区和若干覆盖区：

1. 固定区（Fixed Area）

   • 定义：存放程序中核心、经常使用的部分，这一部分在程序执行期间一直驻留在内存中。
   • 内容：通常包含主程序逻辑、调度器和与所有其他部分交互的公共代码。

2. 覆盖区（Overlay Area）

   • 定义：将程序的其余部分按照调用关系分成多个段，这些段会按需覆盖装载到内存中的相同区域。
   • 过程：当程序需要访问某个段时，将其装载到覆盖区，替换掉之前加载的其他段。

覆盖结构的优点

• 打破内存限制：允许大型程序在有限内存中运行，打破了必须将一个进程的全部信息装入内存后才能运行的限制。
• 提高内存利用率：通过按需装载，仅保留当前需要的代码段在内存中，提高了内存的有效利用率。

覆盖技术的缺点

• 代码复杂性：程序员需要明确地设计并管理程序的分段，增加了编程的复杂性和维护难度。
• 性能开销：频繁的覆盖操作导致程序性能下降，尤其是在覆盖区之间频繁切换时，加载和移除段的I/O操作会增加系统开销。
• 有限透明性：覆盖技术对程序员不透明，需要显式管理内存和覆盖机制，增加了编程负担。

覆盖实现的示例

        假设一个程序需要管理学生信息和计算成绩，其中有两个主要功能模块：学生信息管理和成绩计算。程序可以被拆分为固定区和多个覆盖区：

• 固定区：

  • 主程序逻辑
  • 通用函数
  • 调度器

• 覆盖区：

  • 覆盖1：学生信息管理模块
  • 覆盖2：成绩计算模块

示例伪代码：

// 固定区
function main() {while (true) {showMenu();choice = getUserChoice();if (choice == 1) {loadOverlay(1); // Load student management modulemanageStudents();} else if (choice == 2) {loadOverlay(2); // Load grade calculation modulecalculateGrades();}}
}// 覆盖1：学生信息管理模块
function manageStudents() {// Student management logic
}// 覆盖2：成绩计算模块
function calculateGrades() {// Grade calculation logic
}function loadOverlay(overlayId) {// Load specified overlay segment into memoryif (overlayId == 1) {// Load student management module} else if (overlayId == 2) {// Load grade calculation module}
}

 

覆盖技术的历史背景与现代替代方案

在早期计算机系统，由于内存容量有限，覆盖技术被广泛采用。然而，随着硬件技术的进步，内存容量大幅提升，覆盖技术逐渐被虚拟内存技术所取代：

1. 虚拟内存技术：现代操作系统使用虚拟内存技术，通过分页或分段方式将内存扩展到磁盘存储，实现更灵活的内存管理。程序不再需要全程驻留在内存中，操作系统负责按需调页，透明化内存管理。

   • 分页（Paging）：将内存和磁盘划分为固定大小的页，按需调页。
   • 分段（Segmentation）：将程序划分为逻辑段，不同段占用独立虚拟地址空间。
   • 页表和段表：利用页表和段表进行地址映射和访问控制，实现内存扩展。

2. 现代内存管理单元（MMU）：MMU通过硬件支持提供高效的地址转换和内存保护机制，使大内存环境得以高效管理。

结语

        对换与覆盖技术是多道程序环境下管理内存的重要手段。对换技术通过在辅存和内存之间移动进程，有效地增加了内存的容量，提高了系统的吞吐量。覆盖技术则通过将程序分为多个段，按需装入内存，解决了早期计算机系统中内存不足的问题。了解对换与覆盖的技术细节和应用，有助于我们更好地管理内存资源，提高系统的性能和稳定性。