請求分頁儲存管理方式
 基本分頁 + “請求調頁”和“頁面置換”功能。
 換入和換出基本單位都是長度固定的頁面
1.硬體支援
一臺具有一定容量的內/外存的計算機+ 頁表機制+ 缺頁中斷機構+ 地址轉換機構
1.1頁表基本功能不變：邏輯地址對映為實體地址
增加虛擬功能後需記錄的頁表項資訊有變化：

1. 狀態位P ：指示該頁是否已調入記憶體。
2. 訪問欄位A ：用於記錄本頁在一段時間內被訪問的次數，或記錄本頁最近已有多長時間未被訪問。(置換時考量的引數)
3. 修改位M ：該頁在調入記憶體後是否被修改過。(關係到置換時調出的具體操作)
4. 外存地址：用於指出該頁在外存上的地址。
   1.2缺頁中斷機構
   每當要訪問的頁面不在記憶體時，便產生一缺頁中斷通知OS，OS則將所缺之頁調入記憶體。
   1）作為中斷，需經歷幾個步驟：
   a) “保護CPU環境”
   b) “分析中斷原因”
   c) “轉入缺頁中斷處理程式”
   d) “恢復CPU環境”等。
   2）作為一種特殊中斷，與一般中斷有明顯區別：
    在指令執行期間產生和處理中斷訊號。
    一條指令在執行期間，可能產生多次缺頁中斷。
   1.3地址變換機構
   分頁系統地址變換機構的基礎上增加
    產生和處理缺頁中斷（請求調入）
    從記憶體中換出一頁的功能（置換）
   2.記憶體分配
   作業不一次裝入，部分裝入的情況下如何為程序分配記憶體，涉及三個問題：
   2.1最小物理塊數的確定
    少於此數量程序將不能執行
    與計算機的硬體結構有關，取決於指令的格式、功能和定址方式
   2.2物理塊的分配策略
   考慮：固定OR可變分配、全域性OR區域性置換。
   組合出三種適合的策略。
   1）固定分配、區域性置換
    為每個程序分配一定數目的物理塊，在整個執行期間不再改變（基於程序的型別，或根據程式設計師、程式管理員的建議）
    執行中缺頁時，只能從該程序記憶體中n個頁面中選出一頁換出，然後再調入一頁。
    困難：難以把握為每個程序分配“適量”物理塊數
   2）可變分配、全域性置換
    先為每個程序分配一定數目的物理塊
    OS管理一個空閒物理塊佇列，發生缺頁時，系統從佇列中取出一塊分配給該程序，將欲調入的頁裝入（動態增長型，全域性空閒空間都可分配使用）
    空閒空間不足時，可與其他任何程序頁面置換。“會使其他程序缺頁率提高，影響執行”。
    最易實現
   3）可變分配、區域性置換
    為每個程序分配一定數目的物理塊
    缺頁時，只允許換出該程序在記憶體的頁面，不影響其他程序執行。
    根據缺頁率增減程序的物理塊數：若頻繁缺頁中斷，則系統再為程序分配若干物理快；若缺頁率特別低，則適當減少分配給該程序的物理塊。
   2.3物理塊的分配演算法
   固定分配策略時，分配物理塊可採用以下幾種演算法：
   1）平均分配演算法
    將所有可供分配的物理塊平均分配給各程序。
    缺點：未考慮各程序本身的大小，利用率不均。
   2）按比例分配演算法
    根據程序的大小按比例分配物理塊。
    設系統中共有n個程序
   則，每個程序能分到的物理塊數：
   
   Si：程序i頁面數為；
   S：n個程序頁面數總和；
   m：可用物理塊總數
   
   3）考慮優先權的分配演算法
   實際應用中，要照顧重要、急迫的作業儘快完成，為它分配較多的記憶體空間。
   所有可用物理塊分兩部分：
    一部分按比例分配給各程序；
    另一部分根據各程序優先權，適當地為其增加份額，分配給各程序。
   3.調頁策略
   3.1何時調入頁面
   1）預調頁策略
    以預測為基礎，將預計不久後便會被訪問的若干頁面，預先調入記憶體。
    優點：一次調入若干頁，效率較好
    缺點：預測不一定準確，預調入的頁面可能根本不被執行到。主要用於程序的首次調入，由程式設計師指出應該先調入哪些頁。
   2）請求調頁策略
    執行中需要的頁面不在記憶體，便立即提出請求，由OS將其調入記憶體。
    優點：由請求調頁策略所確定調入的頁，一定會被訪問；比較容易實現。
    缺點：每次僅調入一頁，需花費較大的系統開銷，增加了磁碟I/O的啟動頻率。
   3.2從何處調入頁面
   1）在請求分頁系統中的外存分為：
    對換區：連續存放資料，讀寫速度較快
    檔案區：離散分配方式，I/O速度相對慢
   2）發生缺頁時，系統應從何處將缺頁調入記憶體，分成三種情況：
   （外存：檔案區、對換區）
    系統擁有足夠的對換區空間：對換區
   程序執行前所有頁面由檔案區拷貝到對換區；
   執行需要的頁面全部從對換區調入記憶體，提高調頁速度。
    系統缺少足夠的對換區空間：檔案區/對換區
   不會被修改的部分，在檔案區操作（即：直接從檔案區調入，換出時不用寫入檔案，再調入時仍從檔案區調入）
   可能被修改的部分，在對換區操作。
    UNIX方式：首次->檔案區/再請調->對換區（隨執行資料逐漸從檔案區轉到對換區）
   未執行的頁面從檔案區調入；
   曾經執行，但又被換出的頁面放在對換區，下次調入應從對換區調入。
   程序請求的共享頁面可能已被其他程序調入，無需再從對換區調入。
   3.3頁面調入過程
   1）程式執行前需要裝入記憶體：上述的策略處理何處調入；
   2）開始執行：先預調入一部分頁面；
   3）執行中：需要的頁面不在記憶體時，
    向CPU發出一缺頁中斷，“中斷處理程式”開始工作：
    首先保留CPU環境
    分析中斷原因後，轉入缺頁中斷處理程式。
    處理：判斷是否置換、頁表資訊更新
    恢復現場，重新操作頁面。
   4.頁面置換演算法
   程序執行過程中，訪問的頁面不在記憶體，調入時記憶體已無空閒空間，需要將記憶體中的一頁程式或資料調到外存。
   頁面置換演算法(page replacement algorithms)：選擇換出哪些頁面的演算法，其好壞直接影響系統的效能。
    應具有較低的缺頁率：頁面調入次數（缺頁次數）/總的頁面使用次數
   4.1最佳（Optimal）置換演算法
   換出以後永不再用的，或在最長(未來)時間內不再被訪問的頁面。
    優點：保證獲得最低的缺頁率
    不足：無法實現，因為無法預知一程序將來的執行情況
    作用：作為參照標準，評價其他演算法。
   4.2先進先出置換演算法（FIFO）
   先進入的先淘汰，即選擇記憶體中駐留時間最久的頁面予以淘汰。
    優點：實現簡單，把一程序已調入記憶體的頁面按先後次序組織成一個佇列，並設定一個指標(替換指標)，使它總是指向隊首最老的頁面。
    不足：與程序實際執行規律不相適應（較早調入的頁往往是經常被訪問的頁，頻繁被對換造成執行效能降低）
    計算過程：
   1）系統用佇列對先進先出的頁面次序進行記錄
   2）佇列最長等於分配的物理塊數
   3）始終置換隊首的最老頁面
   4.3最近最久未使用(LRU)置換演算法
   1）無法預測將來的使用情況，只能利用“最近的過去”作為“最近的將來”的近似，因此，LRU置換演算法選擇最近最久未使用（least recently used）的頁面予以淘汰。
   2）不足：
    有時頁面過去和未來的走向之間並無必然的聯絡。
    相應的需較多的硬體支援：記錄每個頁面自上次被訪問以來所經歷的時間t，淘汰時選擇頁面t值最大的；以及需要快速地知道哪一頁是最近最久未使用的頁面，用暫存器或棧。
   3）暫存器記錄時間的原理
    一程序有8個頁面，每個頁面需配備一個8位的（移位）暫存器。
   移位暫存器表示為
   R=Rn-1Rn-2Rn-3…R2R1R0
    頁面被訪問後的操作：
   將該頁對應的暫存器的Rn-1位置為1
    如何記時：
   由系統發出定時訊號，每隔一定時間將所有暫存器右移1位。
   某一時刻，比較各暫存器的值，被用到的標誌1逐漸往低位上積累，若高位上沒有1，就說明最近沒用過。所以最近最久未使用的就是暫存器值最小的那個頁。
   4）棧記錄時間的原理
   某頁面被訪問，便將該頁面的頁面號從棧中移出，將它壓入棧頂。因此：棧頂始終是最新被訪問頁面的編號，越久未使用，頁面越被壓在棧底。
   4.4輪轉演算法(clock)又稱最近未使用演算法(NRU, Not Recently Used)
    LRU(最近最久未使用演算法)近似演算法
   1）折衷FIFO
    每個頁設一個使用標誌位(use bit)，若該頁被訪問則將其置為1。
    設定一個指標，從當前指標位置開始按地址先後檢查各頁，尋找use bit=0的頁面作為被置換頁。
    若指標經過的頁use bit=1，修改use bit=0（暫不凋出，給被用過的頁面駐留的機會 ），指標繼續向下。到所有頁面末尾後再返回隊首檢查。
   2）改進CLOCK
    改進：主要考慮對沒訪問過的頁面再細分是否修改過的不同情況，減少因修改造成的頻繁I/O操作。
    每頁除記錄是否用過A，還記錄是否修改的標誌M。置換時根據兩個標誌的值有4種不同情況的處理。
   4.5其他置換演算法
   1）最少使用 (LFU, Least Frequently Used)
    關鍵在次數記錄上
    每頁設定訪問計數器，每當頁面被訪問時，該頁面的訪問計數器加1；缺頁中斷時，淘汰計數值最小的頁面，並將所有計數清零；
    計數的實現類似LRU，用移位暫存器，但比較時不是簡單比較暫存器的值，而是比較暫存器每位的和∑Ri。
    LFU置換次數少的。程式區域性性會導致一個頁面在一段時間內使用次數很多。但使用次數多並不能說明將來被用到的可能性大
    而LRU置換最近最久未用的，對未來的預計一般會更好些。
   2）頁面緩衝演算法PBA(page buffering algorithm)
    對FIFO演算法的發展，彌補了FIFO可能造成的I/O開銷，又不需要LRU等演算法的硬體支援。
    仍用FIFO演算法選擇被置換頁，但並不將其馬上換入外存。
    系統將頁面放入兩個連結串列之一：如果頁面未被修改，就將其歸入到空閒頁面連結串列的末尾；否則將其歸入到已修改頁面連結串列。
    需要調入新的物理頁面時，將新頁面內容讀入到空閒頁面連結串列的第一項所指的頁面，然後將第一項刪除（從空閒連結串列摘下）。
    空閒頁面和已修改頁面，仍停留在記憶體中一段時間，如果這些頁面被再次訪問，只需較小開銷，而被訪問的頁面可以返還作為程序的記憶體頁。
    當已修改頁面達到一定數目後，再將它們一起調出到外存，然後將它們歸入空閒頁面連結串列，這樣能大大減少I/O操作的次數。
   5.虛擬儲存管理下訪問記憶體的有效時間
   λ為訪問快表的時間/更新快表的時間
   t為訪問記憶體的時間
   ε為缺頁中斷處理時間
   請求分頁管理方式下，存在三種方式的記憶體訪問：
   1）頁在記憶體，且快表檢索命中
   EAT=λ+t
   2）頁在記憶體，但快表檢索沒有命中
   EAT= 快表檢索時間+訪問頁表時間+修改更新快表時間+訪問頁面實體記憶體時間
   =λ+t+λ+t=2*(λ+t)
   3）頁面不在記憶體
   EAT=快表檢索時間+訪問頁表時間+缺頁中斷處理時間+修改更新快表時間+訪問頁面實體記憶體時間=λ+t+ε+λ+t
   4）加入概率的綜合公式(a是快表命中率，f是缺頁率)
   EAT= λ + at +(1-a){ }
   = λ +at +(1-a){t + f*(ε+λ+t) +(1-f)*(λ+ t) }
   6.影響缺頁率的主要因素
   1）分配給作業的主存塊數:
   多則缺頁率低，反之則高。
   2）頁面大小：
   大則缺頁率低；反之則高。
   3）頁面排程演算法：
   對缺頁中斷率影響很大，但不可能找到一種最佳演算法。
   4）程式編制方法：
   以陣列運算為例，如果每一行元素存放在一頁中，則按行處理各元素缺頁中斷率低；反之，按列處理各元素，則缺頁中斷率高。
   7.抖動
   1）系統抖動：
    為了提高處理機利用率，可增加多道程式併發度；
    但程序數目增加過多，每個程序分配得到的物理塊太少，在某個臨界點上，會出現剛被淘汰的頁很快又需重新調入；而調入不久又被淘汰出去；出現頻繁缺頁
    大部分處理器時間都用在來回的頁面排程上，這種局面稱為系統抖動或顛簸（thrashing)
   2）抖動的後果：
    缺頁率急劇增加
    記憶體有效存取時間加長，
    系統吞吐量驟減；系統已基本不能完成什麼任務，而是忙於頁面對換操作，cpu雖然忙，但效率急劇下降。
   3）根本原因：
    頁面淘汰演算法不合理；分配給程序的物理頁面數(駐留集)太少。
   
   
   4）常用防抖動方法：
    區域性置換策略；
    頁面調入記憶體前檢查各程序工作集，為缺頁率高的增加有限物理塊；
    L缺頁間的平均時間=S置換一個頁面所需時間，可使磁碟和cpu達到最大利用率；
    抖動發生時選擇暫停一些程序，調節多道程式度。
   8.工作集
   1）缺頁率與物理塊數有關聯，基於程式區域性性原理，若能預知程式在某段時間要訪問的頁面並全部調入他們，將大大降低缺頁率。
   Denning提出工作集概念：
   某段時間間隔中，程序實際要訪問的頁面的集合。可以用一個二元函式W(t, D)來表示， t是當前的執行時刻，D 稱為工作集視窗（working-set window ）。
   2）工作集大小的變化
    程序開始執行後，隨著訪問新頁面逐步建立較穩定的工作集。
    當記憶體訪問的區域性性區域的位置大致穩定時，工作集大小也大致穩定；
    區域性性區域的位置改變時，工作集快速擴張和收縮過渡到下一個穩定值。
   實現工作集模型的困難是怎樣跟蹤工作集的軌跡！
   3）工作集模型的原理：
    作業系統跟蹤每個程序的工作集，併為程序分配大於其工作集的物理塊。
    如果還有空閒物理塊，則可以再調一個程序到記憶體以增加多道程式數。
    如果所有工作集之和增加以至於超過了可用物理塊的總數，那麼作業系統會暫停一個程序，將其頁面調出並且將其物理塊分配給其他程序，防止出現抖動現象。
   正確選擇工作集的大小，對儲存器的利用率和系統吞吐量的提嵩，都將產生重要影響。
   9.駐留集
    駐留(常駐)集是指在當前時刻，程序實際駐留在記憶體當中的頁面集合。
    工作集是程序在執行過程中固有的性質，而駐留集取決於系統分配給程序的物理頁面數目，以及所採用的頁面置換演算法；
    如果一個程序的整個工作集都在記憶體當中，即駐留集 Ê 工作集，那麼程序將很順利地執行，而不會造成太多的缺頁中斷（直到工作集發生劇烈變動，從而過渡到另一個狀態）；
    當駐留集達到某個數目之後，再給它分配更多的物理頁面，缺頁率也不會明顯下降。