☰

该程序需要多少个页面错误？

tag-icon • tag-icon virtual-memory
该程序需要多少个页面错误？

操作系统概念说

让我们看一个人为的但信息丰富的例子。假设页面大小为 128 个字。考虑一个 C 程序，其功能是将 128×128 数组的每个元素初始化为 0。下面的代码是典型的：

int i, j;
int[128][128] data;
for (j = 0; j < 128; j++)
for (i = 0; i < 128; i++)
data[i][j] = 0;

请注意，该数组存储的是行主数；即数组存储的是data[0][0],data[0][1],····,data[0][127],data[1][0],data[1][1] ，····，数据[127][127]。对于 128 个字的页面，每行占一页。因此，前面的代码将每一页中的一个字归零，然后将每一页中的另一个字归零，依此类推。如果操作系统为整个程序分配的帧数少于 128 个，则其执行将导致 128 × 128 = 16,384 个页面错误。

高亮中的这句话是否意味着在初始化数组的每个元素时，都会发生页面错误，并且在页面替换和元素初始化之后，该页面立即从RAM中移出？

“操作系统为整个程序分配少于128帧”并不一定意味着“操作系统为整个程序分配单个帧”。那么为什么文本如此确定，最近的页面在被访问后立即从 RAM 中移出呢？

假设操作系统为程序分配了“n”个帧（小于 128 个）。它可以只在 RAM 中保留“n-1”页（即行），并使用剩余的一页来处理所有页错误和替换吗？那么页面错误总数可以从 128*128 减少到 (n-1) + (128-(n-1))*128 吗？

答案1

那么为什么文本如此确定，最近的页面在被访问后立即从 RAM 中移出呢？

通常，最近最少访问的页面将被驱逐，但这确实会导致所描述的病态行为。第一次经过内循环，第一次n帧被分页；然后当页面n+1需要分页，页面1被调出，如此循环，确保每次循环时所有页面都需要调回。

然而，这个场景是真的不太可能。如果系统完全缺乏 RAM（物理和交换），内核将终止一个程序以释放一些内存；考虑到测试程序的行为，它不太可能成为候选程序。如果系统只是缺乏物理 RAM，内核将交换页面，或减少其缓存；如果它交换页面，则不太可能以测试程序为目标。在这两种情况下，测试程序都将有足够的 RAM 来适应其工作集。如果您确实设法仅使测试程序挨饿（例如通过增加它的工作集，使其占据系统的内存），在实践中，你更有可能看到它被 a 杀死，SIGSEGV而不是看到它不断地将其工作集调入和调出。 （这很好，这是教科书上的思想实验。学习由此产生的原理，不一定要尝试将示例应用到实践中。）

它可以只在 RAM 中保留“n-1”页（即行），并使用剩余的一页来处理所有页错误和替换吗？

它可以，但系统这样做是不寻常的；系统如何知道未来的内存访问模式会是什么样子？一般来说，您会看到 LRU 驱逐，因此循环将表现出如上所述的病态行为。

如果您想尝试一下，请修复程序，使其与页面的 4KB 大小匹配（在 x86 上使用；我在这里假设 64 位 x86 上的 Linux），并实际编译：

int main(int argc, char **argv) {
  int i, j;
  int data[128][1024];
  for (j = 0; j < 1024; j++)
    for (i = 0; i < 128; i++)
      data[i][j] = 0;
}

然后使用 运行它/usr/bin/time，这将显示页面错误的数量：

0.00user 0.00system 0:00.00elapsed 100%CPU (0avgtext+0avgdata 1612maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+180minor)pagefaults 0swaps

在实践中，与页面错误相比，这种数组处理会导致更多的缓存行驱逐问题。

相关内容