虚拟内存管理 · 融合风（象牙 + Obsidian 入口）

速查

虚拟内存基于局部性原理，使程序不必全部装入内存即可运行；其大小受地址位数与外存容量限制，实际由地址位数约束。请求分页 = 基本分页 + 请求调页 + 页面置换。

速查 ▾

项目	值
核心概念	虚拟内存基于局部性原理（时间局部性：刚访问的数据近期可能再次访问；空间局部性：访问某地址后可能访问其邻近地址），使程序不需要全部装入内存即可运行。虚拟内存大小受地址位数和外存容量限制，实际受地址位数约束。
关键公式 / 性质	请求分页管理：在基本分页基础上增加请求调页和页面置换功能。页表项增加：状态位 P（是否在内存）、访问位 A、修改位 M、外存地址。
考试频率	⭐⭐⭐⭐

核心概念 ▾

虚拟内存基于局部性原理（时间局部性：刚访问的数据近期可能再次访问；空间局部性：访问某地址后可能访问其邻近地址），使程序不需要全部装入内存即可运行。虚拟内存大小受地址位数和外存容量限制，实际受地址位数约束。

请求分页管理：在基本分页基础上增加请求调页和页面置换功能。页表项增加：状态位 P（是否在内存）、访问位 A、修改位 M、外存地址。

图：请求分页页表项在页框号之外，增加 P / A / M 三个标志位与外存地址，用于缺页判断与置换决策。

缺页中断：访问的页不在内存时产生缺页中断，与普通中断的区别是：缺页中断在指令执行期间产生（一条指令可能多次缺页），且需要一条指令可能执行多次。

页面置换算法

OPT（最佳置换）：淘汰最长时间内不会被访问的页面，理论最优但不可实现。
FIFO（先进先出）：淘汰最早进入内存的页面，可能产生 Belady 异常（增加物理块反而增加缺页率）。
LRU（最近最少使用）：淘汰最近最长时间未被访问的页面，无 Belady 异常，性能接近 OPT。
CLOCK（时钟置换）：循环检查访问位，为 0 则淘汰，为 1 则置 0 继续检查。
改进 CLOCK：优先淘汰未访问且未修改的页面（访问位 $A=0$，修改位 $M=0$）。

页面分配策略

固定分配：每个进程分配固定数目的物理块。
可变分配：根据进程缺页率动态调整物理块数。
全局置换：可从任何进程抢夺物理块（通常配合可变分配）。
局部置换：只能在本进程的物理块中置换。

抖动 / 颠簸（Thrashing）：页面频繁调入调出，CPU 利用率急剧下降。原因：分配给进程的物理块不足。工作集模型可防止抖动。

工作集：在某段时间间隔内，进程实际访问的页面集合。窗口大小为 $\Delta$ 时，工作集 $W(t,\Delta)$ 是时刻 $t$ 前 $\Delta$ 个时间单位内访问的页面集合。驻留集应不小于工作集。

关键定义 ▾

概念	定义
虚拟内存	具有请求调页和页面置换功能的存储管理系统，使逻辑地址空间大于物理内存
缺页中断	访问的页面不在内存时触发的中断，需从外存调入
页面置换	当内存无空闲页框时，按算法选择一页换出到外存，腾出空间
抖动	页面在内存和外存之间频繁换入换出，导致系统效率极低
工作集	进程在时间窗口 $\Delta$ 内访问的页面集合
驻留集	操作系统分配给进程的物理块集合
Belady 异常	使用 FIFO 置换算法时，增加物理块数反而使缺页率升高的现象
缺页率	缺页次数 / 总访问次数

常见考法 ▾

考点	说明
页面置换过程模拟	给定访问串和物理块数，模拟各算法的置换过程，统计缺页次数
Belady 异常判断	FIFO 算法下对比不同物理块数的缺页率
有效访问时间计算	$EAT = (1-p)\times$ 内存访问时间 $+\ p\times$ 缺页处理时间（$p$ 为缺页率）
工作集计算	给定访问序列和窗口大小，确定工作集大小
抖动的预防	调整驻留集大小使 $\geq$ 工作集，或降低多道程序度
LRU 的硬件实现	计数器法或栈法实现 LRU

易错点 ▾

注意

缺页中断属于内部异常 / 故障，不是外部中断；且在指令执行中产生，一条指令可触发多次。
OPT 不可实现（需要预知未来访问序列），但常作为性能比较基准。
FIFO 可能发生 Belady 异常，LRU 不会（LRU 满足栈性质）。
访问串计算时，首次访问必缺页（页面未在内存）。
缺页率计算的有效访问时间公式中，缺页处理时间 = 缺页中断处理时间 + 读入页面时间 + 重新执行指令时间。
工作集大小会随时间变化，当工作集 > 驻留集时会发生抖动。
改进 CLOCK 淘汰顺序：$(0,0)\to(0,1)\to(1,0)\to(1,1)$，其中第一轮不修改访问位，第二轮扫描才置 0。

核心结论 ▾

必背

LRU 的硬件实现：$n$ 个页面用 $n \times n$ 矩阵（计数器法），或用栈维护访问顺序。
FIFO 在特定访问序列下存在 Belady 异常，LRU 一定不存在。
抖动的根本原因：多道程序度过高，每个进程分配的物理块不足。
解决抖动的方法：增大物理内存、减少并发进程数（降低多道程序度）、增大驻留集。
缺页率 $p\to 0$ 时，$EAT\approx$ 内存访问时间；$p\to 1$ 时，$EAT\approx$ 缺页处理时间。
请求分页中，页面调入策略：预调页策略（预测性调入）和请求调页策略（缺页时调入）。
虚拟内存的特征：多次性（作业分多次调入内存）、对换性（页面可换入换出）、虚拟性（逻辑空间大于物理空间）。

记忆卡片 ▾

虚拟内存基于什么原理？具有哪三个特征？

基于局部性原理（时间局部性 + 空间局部性）；三个特征：多次性、对换性、虚拟性。

FIFO 页面置换算法有什么特殊异常？

Belady 异常：增加物理块数反而使缺页率升高（LRU 和 OPT 无此异常）。

缺页中断和普通中断的区别？

缺页中断在指令执行期间产生（一条指令可能多次缺页），普通中断在指令执行末尾响应。

四种页面置换算法中哪些有 Belady 异常？

只有 FIFO 有 Belady 异常；OPT、LRU、CLOCK 均无此异常。

什么是抖动？如何防止？

页面频繁调入调出导致 CPU 利用率急剧下降；通过工作集模型防止——驻留集应不小于工作集。

交互动画 · FIFO 的 Belady 异常 ▾

点击「下一步」开始模拟

物理块数 3 · 已处理 0/12 · 缺页 0 次

跑完两种模式可以看到：3 块共 9 次缺页，4 块反而 10 次缺页 —— 这就是 Belady 异常。