背景

• 在前一個章節中，我們提到了physical memory跟logical memory兩種記憶體分別，而在這章的一開始會稍微再提到physical memory的相關觀念。
• 關於虛擬記憶體呢，其背景就是因為physical memory的大小雖然說並不固定，可是當要執行的process比這個physical memory還要大時，我們就需要使用到所謂的「虛擬記憶體」來解決空間不足的問題。
• 造成空間不足的原因很簡單，因為physical memory向外宣稱自己的空間很大、很足夠，所以讓使用者跟process都信以為真，但當要執行時卻發現空間不足，因為有些記憶體空間是放在硬碟中，而這時又會出現一個問題--「Page fault」，這個問題我們會在後面加以解釋。
• 而虛擬記憶體將logical跟physical memory的概念給分開解釋：

1. 因為logical memory的空間較大，因此可以讓多個process一起共享這個空間。
2. 如果虛擬記憶體的分配管理妥當，則process在執行上也會順利許多。
3. 而對於I/O來說，因為大小、速度跟CPU之間都有差別，自然也會連帶影響到執行的流暢度。

• 在實作中有兩種做法：

1. Demand paging：就是將process需要的pages切割成一小段一小段的去執行。
2. Demand segmentation：依照process設計時的邏輯架構進行切分；其優點是因為每一個架構都有自己不同的存取模式，如變數、指令等，所以可依照不同架構去切分；而缺點是從一開始OS分配的空間中執行，變成要依不同架構讓OS去各自分配空間才能執行。

• 以下這就是virtual memory跟physical memory之間的關係：
  

Demand Paging

• 其定義很簡單，就是依照需求而得到的page資源。
• 原則：

1. 當pages被需要了，而且又在記憶體中，就可以將其順序往上搬，加以使用。
2. 如果pages已經不被需要、無效了，就將其退出記憶體裡。
3. 最麻煩的是，如果發現需要的pages不在實際記憶體中，就要去尋找並將它swap in記憶體中。

• Lazy swapper：定義就是因為資源的有限，無法把所有的pages都swap in記憶體中，所以只能將已確定、即將要使用的pages給swap in記憶體中，而這就叫做「Lazy swapper」。
• 以下就是Demand paging的示意圖。
  

Valid-Invalid Bit

• 以下是一張示意圖，我們以圖片來解釋：
  
• 圖片中的valid是代表frame有存在記憶體中；invalid就是表示frame並不在記憶體中。
• 之所以設計這種分辨方式，是因為base memory的大小跟physiacl memory的大小不同，才設計此方法加以辨識。就是辨識從process到virtual memory的frame是否在記憶體中。
• 使用時機就是在MMU真的需要執行時，就要到physical address進行translation：

1. 如果是valid，那沒有問題。
2. 如果是invalid的話，就會發生page fault。

Page fault

• 在前面幾段多多少少都有提到這個問題，那這是什麼問題呢？
• 簡單來說，有兩種情況會產生此問題：

1. 單純只是程式碼編撰錯誤，那只要刪除就可以解決。
2. 因為記憶體對外宣稱其空間足以容納process使用，所以當process真的要執行時，發現要求的page是在硬碟中不是在記憶體中，而這種情況就稱為「Page fault」。

• 解決方法：

1. 第一種情況的很簡單，刪除程式即可。
2. 第二種情況較複雜，需要在physical memory中找到free frame使用，但因為資源有限所以有困難度在，因此只能在記憶體中找尋已完成或沒是在等待而被占住的空間，將其swap out，讓該page再swap in記憶體內使用。

• 以下就是處理page fault的示意圖：
  
• Page Fault Rate(p)，在系統中自然不能太高：

1. 如果p=0的話，沒有page fault的發生。
2. 如果p=1的話，每個reference都是錯誤的。

• Effective Access Time(EAT) = (1-p) * memory access+p(page fault overhead+swap page out+swap page in) ：

1. 舉例來說，如果記憶體存取時間是200ns，平均page fault出現的時間為8ms，則EAT = (1-p) * 200+p(8ms) = 200+p * 7999800(ns)。

• 讓demand paging的效能最佳化，是一件很重要的事情，像是在swap space I/O中，讓做swap out/in時給予特權，且在硬碟中有著重要性的話，將其放置在特別位置、分配順序，就能提高優先權。