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  • 虚拟存储

    千次阅读 2019-03-09 14:25:09
    虚拟存储需求背景: 虚拟存储是在这个非连续存储内存分配的基础上,可以把一部分内容放在外村里的做法 理想的存储器: 容量更大,速度更快,价格更便宜的非易失性存储器 交换技术: 增加正在运行或者需要运行的...

    虚拟存储需求背景:

    虚拟存储是在这个非连续存储内存分配的基础上,可以把一部分内容放在外村里的做法 
    理想的存储器: 
    容量更大,速度更快,价格更便宜的非易失性存储器

    交换技术:

    增加正在运行或者需要运行的程序的内存 
    实现方法:可将暂时不能运行的程序放到外存 
    换入换出的基本单位:整个进程的地址空间 
    换出:把一个进程的整个地址空间保存到外存 换入:将外存中某进程的地址空间读入到内存 
    交换的时机:只有当内存空间不够或有不够的可能时换出 
    程序换入时重定位:采用动态地址映射的方法

    虚拟存储:局部性原理:程序在执行过程中的一个较短时期,所执行的指令地址和指令的操作数地址,分别局限于一定区域{ 
    时间局部性:一条指令的一次执行和下次执行,一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短的时期内。 
    空间局部性:当前指令和邻近的几条指令,当前访问的的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小的区域内。 
    分支局部性:一条跳转指令的两次执行,很可能跳到相同的内存位置 
    只把部分程序放到内存中,从而运行比物理内存大的程序 
    由操作系统自动完成,无需程序员的干涉 
    实现进程在内存与外存之间的切换,从而获得更多的空闲内存空间 
    在内存和外存之间只交换进程的部分内容

    虚拟存储的基本概念:

    思路:将不常用的部分内存块暂存到外存 
    原理: 
    装载程序时:只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存 
    执行过程中:需要的指令或数据不在内存(缺页)处理器通知操作系统将相应的页面或者段调入内存 
    操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存 
    实现方式:(1)虚拟页式存储(2)虚拟段式存储 (3)段页式
    基本特征: 
    (1)不连续:a.物理内存分配非连续b.虚拟地址空间使用非连续 
    (2)大用户空间 
    提供给用户的虚拟内存可大于实际的物理内存( 
    3)部分交换:虚拟存储只对部分虚拟地址空间进行调入和调出

    虚拟存储的技术支持:

    硬件:页式或短时存储中的地址转换机制 
    操作系统:管理内存和外存间页面或段的换入换出

    虚拟页式存储: 
    在页式管理的基础上,增加请求调页和页面置换 
    思路:当用户要装载到内存运行时,只装入部分页面,就启动程序运行;进程在运行中发现有需要的代码或者数据不在内存时,则向系统发出缺页异常请求;操作系统在处理缺页异常时,将外存中相应的页调入内存,使得进程继续运行。
     

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  • 1.在服务器端的虚拟存储服务器厂商会在服务器端实施虚拟存储。同样,软件厂商也会在服务器平台上实施虚拟存储。这些虚拟存储的实施都是通过服务器端将镜像映射到外围存储设备上,除了分配数据外,对外围存储设备...

    1.在服务器端的虚拟存储

    服务器厂商会在服务器端实施虚拟存储。同样,软件厂商也会在服务器平台上实施虚拟存储。这些虚拟存储的实施都是通过服务器端将镜像映射到外围存储设备上,除了分配数据外,对外围存储设备没有任何控制。服务器端一般是通过逻辑卷管理来实现虚拟存储技术。逻辑卷管理为从物理存储映射到逻辑上的卷提供了一个虚拟层。服务器只需要处理逻辑卷,而不用管理存储设备的物理参数。

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    用这种构建虚拟存储系统,服务器端是一性能瓶颈,因此在多媒体处理领域几乎很少采用。

    2.在存储子系统端的虚拟存储

    另一种实施虚拟的地方是存储设备本身。这种虚拟存储一般是存储厂商实施的,但是很可能使用厂商独家的存储产品。为避免这种不兼容性,厂商也许会和服务器、软件或网络厂商进行合作。当虚拟存储实施在设备端时,逻辑(虚拟)环境和物理设备同在一个控制范围中,这样做的益处在于:虚拟磁盘高度有效地使用磁盘容量,虚拟磁带高度有效地使用磁带介质。

    在存储子系统端的虚拟存储设备主要通过大规模的RAID子系统和多个I/O通道连接到服务器上,智能控制器提供LUN访问控制、缓存和其他如数据复制等的管理功能。这种方式的优点在于存储设备管理员对设备有完全的控制权,而且通过与服务器系统分开,可以将存储的管理与多种服务器操作系统隔离,并且可以很容易地调整硬件参数。

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    3.网络设备端实施虚拟存储

    网络厂商会在网络设备端实施虚拟存储,通过网络将逻辑镜像映射到外围存储设备,除了分配数据外,对外围存储设备没有任何控制。在网络端实施虚拟存储具有其合理性,因为它的实施既不是在服务器端,也不是在存储设备端,而是介于两个环境之间,可能是最“开放”的虚拟实施环境,最有可能支持任何的服务器、操作系统、应用和存储设备。从技术上讲,在网络端实施虚拟存储的结构形式有以下两种:即对称式与非对称式虚拟存储。

    从目前的虚拟存储技术和产品的实际情况来看,基于主机和基于存储的方法对于初期的采用者来说魅力最大,因为他们不需要任何附加硬件,但对于异构存储系统和操作系统而言,系统的运行效果并不是很好。基于互联设备的方法处于两者之间,它回避了一些安全性问题,存储虚拟化的功能较强,能减轻单一主机的负载,同时可获得很好的可扩充性。

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    不管采用何种虚拟存储技术,其目的都使为了提供一个高性能、安全、稳定、可靠、可扩展的存储网络平台,满足节目制作网络系统的苛刻要求。根据综合的性能价格比来说,一般情况下,在基于主机和基于存储设备的虚拟存储技术能够保证系统的数据处理能力要求时,优先考虑,因为这两种虚拟存储技术构架方便、管理简单、维护容易、产品相对成熟、性能价格比高。在单纯的基于存储设备的虚拟存储技术无法保证存储系统性能要求的情况下,我们可以考虑采用基于互连设备的虚拟存储技术。

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  • 虚拟存储技术

    2020-04-02 22:19:31
    所谓虚拟存储,就是把内存与外存有机的结合起来使用,从而得到一个容量很大的“内存”。 背景 对存储系统网络平台的要求也越来越高,不光是在存储容量上,还包括数据访问性能、数据传输性能、数据管理能力、...

    virtual memory technologies

    概念

            所谓虚拟存储,就是把内存与外存有机的结合起来使用,从而得到一个容量很大的“内存”。

    背景       

            对存储系统网络平台的要求也越来越高,不光是在存储容量上,还包括数据访问性能、数据传输性能、数据管理能力、存储扩展能力等等多个方面。

    历史

            1、最早是始于70年代,最典型的应用就是虚拟内存技术。

            2、将多个物理磁盘通过一定的逻辑关系集合起来,成为一个大容量的虚拟磁盘。

            3、存储网络化,不同主机可共享使用。

    实现过程:

          一个程序需要执行,首先需要把指令和数据加载到内存,若实际的物理内存不够,那程序将无法执行。首先将部分磁盘作为内存的一部分,即分配地址给磁盘。此时将程序的一部分内容先放到内存中,另一些放到磁盘的虚拟内存中,程序先执行内存的程序,然后在把内存里的和磁盘中的对调,再来执行一遍。

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  • 虚拟存储实现思路在实际运行过程,把有关作业的全部信息都装入主存储器后,作业执行时实际上不是同时使用全部信息的,有些部分运行一遍便再也不用,甚至有些部分在作业执行的整个过程中都不会被使用到(如错误处理部分...

    虚拟存储实现思路

    在实际运行过程,把有关作业的全部信息都装入主存储器后,作业执行时实际上不是同时使用全部信息的,有些部分运行一遍便再也不用,甚至有些部分在作业执行的整个过程中都不会被使用到(如错误处理部分)。进程在运行时不用的,或暂时不用的,或某种条件下才用的程序和数据,全部驻留于内存中是对宝贵的主存资源的一种浪费,大大降低了主存利用率。
    于是,提出了这样的问题:作业提交时,先全部进入辅助存储器,作业投入运行时,能否不把作业的全部信息同时装入主存储器,而是将其中当前使用部分先装入主存储器,其余暂时不用的部分先存放在作为主存扩充的辅助存储器中,待用到这些信息时,再由系统自动把它们装入到主存储器中,这就是虚拟存储器的基本思路。

    虚拟存储器定义

    具有部分装入和部分对换功能,能从逻辑上对内存容量进行大幅度扩充,使用方便的一种存储器系统。
    虚拟存储器是基于程序局部性原理上的一种假想的而不是物理存在的存储器,允许用户程序以逻辑地址来寻址,而不必考虑物理上可获得的内存大小,这种将物理空间和逻辑空间分开编址但又统一管理和使用的技术为用户编程提供了极大方便。此时,用户作业空间称虚拟地址空间,其中的地址称虚地址

    分页式虚拟存储系统

    基本原理

    分页式虚拟存储系统是将作业信息的副本存放在磁盘这一类辅助存储器中,当作业被调度投入运行时,并不把作业的程序和数据全部装入主存,而仅仅装入立即使用的那些页面,至少要将作业的第一页信息装入主存,在执行过程中访问到不在主存的页面时,再把它们动态地装入。用得较多的分页式虚拟存储管理是请页式(demand Paging),当需要执行某条指令或使用某个数据,而发现它们并不在主存时,产生一个缺页中断,系统从辅存中把该指令或数据所在的页面调入内存。
    请页式虚拟存储在执行过程中,必然会发生某些页面不在内存中的情况,针对这种情况,处理方法是扩充页表的内容,增加驻留标志位和页面辅存的地址等信息,扩充后的页表如下所示:
    这里写图片描述

    • 驻留标志位(又称中断位)用来指出对应页是否已经装入主存,如果某页所对应栏的驻留标志位为1,则表示该页已经在主存;若驻留标志位为 0,此时产生一个缺页中断信号,可以根据辅存地址知道该页在辅助存储器中的位址,将这个页面调入主存。
      在作业执行中访问某页时,硬件的地址转换机构查页表:
      1. 若该页对应驻留标志为1,则按分页实存管理给出的办法进行地址转换,得到绝对地址。
      2. 若该页驻留标志为0,则由硬件发出一个缺页中断,表示该页不在主存。操作系统必须处理这个缺页中断针对缺页中断的具体处理方法是先查看主存是否有空闲块,若有则按该页在辅助存储器中的地址将这个页面找出且装入主存,在页表中填上它占用的块号且修改标志位。若主存已没有空闲块,则必须先淘汰已在主存中的某一页,再将所需的页面装入,对页表和主存分配表作相应的修改
    • 为了提高系统效率,可在页表中增加标志位,其它标志包括修改位(Modified )、引用 位( Renferenced )、禁止缓存位和访问位,用来跟踪页的使用情况。当一个页被修改后,硬件自动设置修改位,一旦修改位被设置,当该页被调出主存时必须重新被写回辅存;若一页在执行过程中没有被修改过,那么不必重新写回到存储器中。引用位则在该页被引用时设置,无论是读或写,它的值被用来帮助操作系统进行页面淘汰。禁止缓存位可以禁止该页被缓存,这一特性对于那些正在与外设进行数据交换的页面时非常重要。访问位则限定了该页允许什么样的访问权限如可读、可写和可执

    页面装入策略

     请页式调度

    请页式调度是仅当需要访问程序和数据时,才把所在页面装入主存。那么当某个进程第一次执行时,开始会有许多缺页中断,随着越来越多的页面装入主存,根据局部性原理,大多数未来访问的程序和数据都在最近被装入主存的页面中,一段时间之后,缺页中断就会下降到很低的水平,程序进入相对平稳阶段。这种策略的主要缺点是处理缺页中断和调页的系统开销较大,由于每次仅调一页 ,增加了磁盘 I/O 次数。

    预调式调度

    预调式调度由操作系统预测进程将要使用的那些页面,在使用入之前预先调入主存,每次调入若干个页面,而不是像请页式那样仅调一个页面。由于进程的页面大多数连续存放在辅存储中器,一次调入多个页面能减少磁盘I/O启动次数,节省了寻道和搜索时间。但是如果调入的一批页面中多数未被使用,则效率就很低了,可见预调页要建立在预测的基础上,目前所用预调页的成功率在 50%左右。

    页面清除策略

    清除策略是与装入策略相对的,它要考虑何时把一个修改过的页面写回辅存储器。

    请页式清除

    请页式清除是仅当一页选中被替换,且之前它又被修改过,才把这个页面写回辅助存储器

    预清除

    预清除方法对更改过的页面,在需要之前就把它们都放回辅助存储器,因此可以成批进行。

    页面分配策略

    分页式虚拟存储系统排除了主存储器实际容量的约束,能使更多的作业同时多道运行,从而提高了系统的效率,但缺页中断的处理要付出相当的代价,由于页面的调入、调出要增加I/O的负担而且影响系统效率,因此应尽可能的减少缺页中断的次数
    在请页式系统中,可采用两种策略分配页框给进程:固定分配和可变分配

    固定分配

    如果进程生命周期中,保持页框数固定不变,称页面分配为固定分配;通常在进程创建时,根据进程类型和程序员的要求决定页框数,只要有一个缺页中断产生,进程就会有一页被替换。

    可变分配

    如果进程生命周期中,分得的页框数可变,称页面分配为可变分配;当进程执行的某一阶段缺页率较高,说明进程程序目前的局部性较差,系统可多分些页框以降低缺页率,反之说明进程程序目前的局部性较好,可以减少分给进程的页框数。

    对比

    固定分配策略缺少灵活性,而可变分配的性能会更好些,被许多操作系统所采用。采用可变分配策略的困难在于操作系统要经常监视活动进程的行为和进程缺页中断率的情况,这会增加操作系统的开销。

    页面替换策略

    实现虚拟存储器能给用户提供一个容量很大的存储器,但当主存空间已装满而又要装入新页时,必须按一定的算法把已在主存的一些页调出去,这个工作称页面替换

    如果页面替换算法的作用范围是整个系统,称为全局页面替换算法,它可以在可运行进程之间动态地分配页框。如果页面替换算法的作用范围局限于本进程,称为局部页面替换算法,它实际上需要为每个进程分配固定的页框。

    淘汰算法

    用来确定应该淘汰哪页的算法,称淘汰算法。

    算法的选择是很重要的,选用了一个不适合的算法,就会出现这样的现象:
    刚被淘汰的页面又立即要用,因而又要把它调入,而调入不久再被淘汰,淘汰不久再被调入。如此反复 ,使得整个系统的页面调度非常频繁以至于大部时间都化在来回调度页面上。这种现象叫做 “抖动”(Thrashing),又称“颠簸”,一个好的调度算法应减少和避免抖动现象。

    缺页中断率

    假定作业 p 共计n页,而系统分配给它的主存块只有 m 块(m,n均为正整数,且1≤m≤n),即最多主存中只能容纳该作业的m页。如果作业p在运行中成功的访问次数为s(即所访问的页在主存中), 不成功的访问次数为F(即缺页中断次数),则总的访问次数A为:
    A = S + F
    又定义:
    f = F / A
    则称 f 为缺页中断率。影响缺页中断率 f 的因素有:
    1. 主存页框数。作业分得的主存块数多,则缺页中断率就低,反之,缺页中断率就高。
    2. 页面大小。如果划分的页面大,则缺页中断率就低,否则缺页中断率就高
    3. 页面替换算法。
    4. 程序特性。程序编制的方法不同,对缺页中断的次数有很大影响,程序的局部性要好

    页面替换算法

    一个理想的替换算法是:当要调入一页而必须淘汰一个旧页时,所淘汰的页应该是以后不再访问的页或距现在最长时间后再访问的页。这样的调度算法使缺页中断率为最低。然而这样的算法是无法实现的因为在程序运行中无法对以后要使用的页面作出精确的断言。不过,这个理论上的算法可以用来作为衡量各种具体算法的标准。

    下面介绍几种实用的页面调度算法:

    随机页面替换算法

    要淘汰的页面是由一个随机数产生程序所产生的随机数来确定,选择一个不常使用的页面会使系统性能较好,但这种调度算法做不到这一点,虽很简单但效率却低,一般不采用。

    先进先出页面替换算法( FIFO )

    先进先出调度算法是一种低开销的页面替换算法,基于程序总是按线性顺序来访问物理空间这一假设。这种算法总是淘汰最先调入主存的那一页,或者说在主存中驻留时间最长的那一页(常驻的除外)
    这种算法较易实现,但效率不高,因为在主存中驻留时间最长的页面未必是最长时间以后才使用的
    页面。也就是说,如果某一个页面要不断地和经常地被使用,采用FIFO算法,在一定的时间以后就会变成驻留时间最长的页,这时若把它淘汰了,可能立即又要用,必须重新调入

    最近最少用页面替换算法( LRU,least Recently used )

    最近最少用调度算法是一种通用的有效算法,被操作系统、数据库管理系统和专用文件系统广泛采用。该算法淘汰的页面是在最近一段时间里较久未被访问的那一页。它是根据程序执行时所具有的局部性来考虑的,即那些刚被使用过的页面,可能马上还要被使用,而那些在较长时间里未被使用的页面,一般说可能不会马上使用到。

    第二次机会页面替换算法

    FIFO 算法可能会把经常使用的页面淘汰掉,可以对 FIFO 算法进行改进,把FIFO算法与页表中的”引用位”结合起来使用,算法可实现如下:
    首先检查FIFO中的队首页面(这是最早进入主存的页面),如果它的”引用位”是0,那么这个页面既老又没有用,选择该页面淘汰;如果它的”引用位”是 1,说明虽然它进入主存较早,但最近仍在使用。于是把它的”引用位”清成0,并把这个页面移到队尾,把它看作是一个新调入的页。这一算法称为第二次机会(second chance)算法,其含义是最先进入主存的页面,如果最近还在被使用的话,仍然有机会作为像一个新调入页面一样留在主存中。

    时钟页面替换算法 (Clock Policy)

    如果利用标准队列机制构造FIFO队列,第二次机会页面调度算法将可能产生频繁地出队入队,实现代价较大。因此,往往采用循环队列机制构造页面队列,这样就形成了一个类似于钟表面的环形表,队列指针则相当于钟表面上的表针,指向要淘汰的页面,这就是时钟页面替换算法的得名
    算法的实现要点:
    1. 一个页面首次装入主存时,其”引用位”置 0。
    2. 在主存中的任何一个页面被访问时, 其”引用位”置 1。
    3. 淘汰页面时,存储管理从指针当前指向的页面开始扫描循环队列,把所迁到的”引用位”是 1 的页面的”引用位”清成 0,并跳过这个页面; 把所迁到的”引用位”是0的页面淘汰掉,指针推进一步。

    最不常用页面替换算法(LFU :Least Erequently used )

    如果对应每一页设置一个计数器,每当访问一页时,就使它对应的计数器加1。过一定时间 t 后 ,将所有计数器全部清0。当发生缺页中断时,可选择计数值最小的对应页面淘汰,显然它是在最近一段时间里最不常用的页面。这种算法实现不难,但代价太高而且选择多大的 t 最适宜也是个难题。

    下面是针对几个页面替换算法的效率对比图:
    这里写图片描述

    写时复制(copy-on-write)

    写时复制(copy-on-write)是存储管理用来节省物理内存(页框)的一种页面级优化技术,已被unix 和 Windows等许多操作系统所采用,它能减少主存页面内容的复制操作,减少相同内容页面在主存的副本数目。

    当两个进程(如父子进程)共享一个页面时,并不是立即为每个进程各建一个页面副本,而是把该页面定义为只读方式,让诸进程共享。当其中某个进程要修改页面内容执行写操作时,会产生一个”写时复制”中断,操作系统处理这个中断信号,为该进程分配一个空闲页框,复制页面的一个副本,且修改相应的页表项,当进程重新执行写页面操作时指令被顺利执行。

    下图是写时复制前的示意图
    这里写图片描述
    当进行写时复制操作时,示意图如下所示:
    这里写图片描述

    可见操作系统采用写时复制技术后,就可以延迟到修改时才对共享页面做出副本,从而.节省了大量页面复制操作和副本占用空间。

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