操作系统笔记-3.1.1.4 (选修)覆盖与交换

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

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

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。
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：
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

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。
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：
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？
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：
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
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。
注意：PCB会常驻内存，不会被换出外存

知识回顾与重要考点

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
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
覆盖技术的缺点可能作为选择题选项考察
了解：换出的进程一般放在对换区中