王道操作系统笔记，视频链接：3.1.1.4 (选修)覆盖与交换

知识总览

1. 内存管理的概念：
   • 内存空间的分配与回收
   • 内存空间的扩充
     • 覆盖技术（该小节内容）
     • 交换技术（该小节内容）
     • 虚拟存储技术
   • 地址转换
   • 存储保护

覆盖技术

1. 早期的计算机内存很小，因此经常会出现内存大小不够的情况。

   • 比如 IBM 推出的第一台PC机最大只支持 1MB 大小的内存。

2. 后来人们引入了覆盖技术，用来解决“程序大小超过物理内存总和”的问题

   • 覆盖技术的思想：将程序分为多个段（多个模块）。常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存。
   • 内存中分为一个“固定区”和若干个“覆盖区”。
   • 需要常驻内存的段放在“固定区”中，调入后就不再调出（除非运行结束）
   • 不常用的段放在“覆盖区”，需要用到时调入内存，用不到时调出内存
   • 例子：
     • 调用的结构如图所示，假设同一层的内容无法同时调用。
     • 按照自身逻辑结构，让那些不可能同时被访问的程序段共享同一个覆盖区
     • 图：
       

3. 缺点：

   • 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖。缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担。
   • 覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。

交换技术

1. 交换技术（也称对换技术）的设计思想：内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）

   • 复习第二章处理机调度：分为高级调度，中级调度，低级调度。
     • 高级调度负责作业从外存到内存的准入，
     • 中级调度负责进程在内存与外存间的动态交换以平衡负载，
     • 低级调度则负责从内存就绪队列中选取进程分配CPU执行。
   • 其中，中级调度就是为了实现交换技术而使用的一种调度策略。
     • 当内存空间紧张，可以把某些进程从内存换出到外存，并将其插入到挂起队列，
       • 实际上是将指向该进程PCB的指针（或索引）插入队列，
       • PCB常驻在内存中
         • 因为进程被换出外存后，需要记录下来放在外存的位置，
         • 这个信息将会被记录在相关的PCB中，所以PCB常驻内存
     • 内存空间不紧张后，再把这些进程相关数据换入内存
     • 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

2. 复习：进程的七状态模型：

   • 暂时换出外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend）
   • 挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态
   • 交换技术也在逻辑上扩充了内存空间
   • 图：
     

3. 问题：

   • 应该在外存（磁盘）的什么位置保存被换出的进程？
   • 什么时候应该交换？
   • 应该换出哪些进程？

4. 第一个问题解答：

   • 具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。
   • 文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，
   • 因此对文件区空间的管理采用离散分配方式；
   • 对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。
   • 由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，
   • 因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，
   • 因此通常对换区采用连续分配方式
     • 后续学过文件管理章节后即可理解
   • 总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。
   • 图：
     

5. 第二个问题解答：

   • 交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行，而系统负荷降低就暂停。
   • 例如：
     • 在发现许多进程运行时经常发生缺页，就说明内存紧张，此时可以换出一些进程；
     • 如果缺页率明显下降，就可以暂停换出。
       • 后续章节会对缺页、缺页率进行更详细的讲解，此处不展开

6. 第三个问题解答：（提供思路，答案不唯一）

   • 可优先换出阻塞进程；
   • 可换出优先级低的进程；
   • 为了防止优先级低的进程在被调入内存后很快又被换出，
     • 有的系统还会考虑进程在内存的驻留时间。

7. 注意：PCB会常驻内存，不会被换出外存

知识回顾与重要考点

1. 覆盖技术与交换技术一般只会在选择题当中进行考察，理解即可
2. 需要详细记忆的部分是固定区与覆盖区的内容，即图中红框部分
3. 覆盖技术的缺点可能作为选择题选项考察
4. 了解：换出的进程一般放在对换区中