考研全科复习

Appearance

408 ​

操作系统 ​

OS-03-10 抖动与工作集 ​

一、定位信息 ​

  • 所属圈层：核心层
  • 前置知识回顾：理解请求页式管理和页面置换算法的基本原理，知道缺页中断需要磁盘I/O，耗时远大于内存访问。了解驻留集的概念。
  • 知识网络位置：本单元是虚拟内存管理的"极端情况"分析，解释了当内存不足时系统性能急剧下降的原因和对策。抖动与工作集理论是页框分配策略（OS-03-08）的理论依据。
  • 考点热度等级：M级（中频常考）——抖动的概念和工作集模型常出现在选择题中。

二、知识点讲解 ​

2.1 抖动（Thrashing） ​

抖动是指系统花费大量时间在页面的调入调出上，而实际用于执行进程指令的时间很少。CPU利用率随着并发进程数的增加反而急剧下降。

产生原因：系统中并发进程过多（或进程的驻留集太小），每个进程分配到的页框不足以容纳其工作集，导致频繁缺页。一个进程等待页面调入时，CPU切换到另一个进程，该进程也很快缺页……形成恶性循环。

抖动的恶性循环：

  1. 进程缺页 → 需要磁盘I/O
  2. 磁盘I/O期间CPU空闲 → 调度另一个进程
  3. 另一个进程也缺页 → 也需要磁盘I/O
  4. 所有进程都在等磁盘 → CPU利用率极低
  5. OS误以为CPU利用率低是因为进程数不够 → 增加更多进程
  6. 情况更加恶化

2.2 工作集（Working Set） ​

工作集是指进程在某段时间窗口 Δ\Delta 内实际访问的页面集合。工作集模型由Denning提出，用于确定进程所需的最小页框数。

工作集窗口 Δ\Delta：一个时间参数，表示"最近 Δ\Delta 次内存访问"。

工作集的含义：如果一个进程的工作集大小为 WW，那么该进程至少需要 WW 个页框才能避免频繁缺页。

工作集模型的应用：

  • 若进程的驻留集 ≥ 工作集大小，缺页率低
  • 若进程的驻留集 < 工作集大小，缺页率急剧上升（抖动）
  • OS可以监控每个进程的工作集，确保分配的页框数 ≥ 工作集大小

2.3 抖动的预防与解决 ​

方法一：工作集模型

  • 跟踪每个进程的工作集大小
  • 确保进程的驻留集 ≥ 工作集大小
  • 若内存不足以容纳所有进程的工作集之和，则挂起某些进程

方法二：缺页率（PFF, Page Fault Frequency）控制

  • 设定缺页率的上限和下限
  • 缺页率 > 上限：增加该进程的页框数
  • 缺页率 < 下限：减少该进程的页框数
  • 无法再增加页框时，挂起该进程

方法三：减少并发进程数

  • 当检测到抖动时，挂起部分进程
  • 减少内存竞争，使剩余进程获得足够页框

三、记忆与理解辅助 ​

1. 类比记忆：抖动就像一群人挤在一间小房间里抢座位——人越多，每个人分到的座位越少，大家不断站起来让座（缺页），结果所有人都在忙着换座位，没人能坐下来看书（执行指令）。

2. 口诀："抖动是恶性循环，缺页太多CPU闲；工作集看窗口内，页面够用不抖动；缺页率高加页框，实在不行挂进程。"

3. 工作集 vs 驻留集对比：

对比项工作集驻留集
定义进程实际需要的页面集合进程当前在内存中的页面集合
由谁决定程序运行行为（客观需求）OS分配策略（主观分配）
是否可变随时间变化可由OS调整
关系驻留集应 ≥ 工作集驻留集 < 工作集 → 抖动

4. 抖动的因果链：

并发进程过多 → 每进程页框不足 → 缺页率上升 → 磁盘I/O繁忙
→ CPU等待I/O → CPU利用率下降 → OS增加进程 → 更多缺页 → 抖动

四、例题与精解 ​

例题1（基础巩固） ​

题目：某系统有 44 个物理页框，运行两个进程A和B。进程A的工作集为 {1,2,3}\{1, 2, 3\}，进程B的工作集为 {4,5,6}\{4, 5, 6\}。当前页框分配：A有2个，B有2个。 （1）是否会发生抖动？为什么？ （2）应如何调整页框分配？

命题意图：考查工作集与驻留集的关系及抖动判断。

精解：

1. 审题分析：进程A需要3个页框（工作集大小=3），当前只有2个；进程B同理。

2. 解题思路：比较驻留集与工作集大小，判断是否抖动。

3. 完整步骤：

（1）会发生抖动。

  • 进程A的驻留集（2）< 工作集（3）：A会频繁缺页
  • 进程B的驻留集（2）< 工作集（3）：B会频繁缺页
  • 两个进程都在频繁缺页，磁盘I/O成为瓶颈，形成抖动

（2）调整方案：

  • 进程A分配3个页框，进程B分配1个页框 → A正常，B抖动
  • 进程A分配3个页框，进程B分配3个页框 → 需要6个页框，当前只有4个，不够
  • 最佳方案：将进程B挂起（或换出到磁盘），将4个页框全部分配给A。待A运行完再运行B。

4. 方法反思：抖动的根本原因是物理内存不足以容纳所有活跃进程的工作集之和。解决方法要么增加内存，要么减少并发进程数。在内存有限的情况下，"挂起进程"是最直接的解决方案。

例题2（中等提升） ​

题目：某进程在时间窗口 Δ=10\Delta = 10 内的页面访问序列为 1,2,3,2,1,4,5,4,3,21, 2, 3, 2, 1, 4, 5, 4, 3, 2。 （1）该进程的工作集是什么？ （2）若系统为该进程分配 22 个页框，是否会发生抖动？

命题意图：考查工作集的计算方法。

精解：

1. 审题分析：窗口大小 Δ=10\Delta = 10，需要找出最近10次访问中涉及的不重复页面。

2. 解题思路：统计窗口内访问的不同页面集合。

3. 完整步骤：

（1）最近10次访问的页面序列：1,2,3,2,1,4,5,4,3,21, 2, 3, 2, 1, 4, 5, 4, 3, 2

  • 不重复的页面集合：{1,2,3,4,5}\{1, 2, 3, 4, 5\}
  • 工作集 = {1,2,3,4,5}\{1, 2, 3, 4, 5\}，大小为 55

（2）驻留集 = 2 < 工作集 = 5：

  • 会发生抖动。该进程需要至少5个页框才能避免频繁缺页，只有2个页框远远不够。

4. 方法反思：工作集的计算看似简单，但实际系统中 Δ\Delta 的选择很关键。Δ\Delta 太小不能反映真实的页面需求，Δ\Delta 太大可能包含不再需要的页面。实际系统通常使用近似方法（如定期采样）来跟踪工作集。

五、考情分析 ​

  • 考查频次：抖动与工作集在近5年真题中出现约2-3次。
  • 常见题型：选择题（抖动判断、工作集计算、缺页率控制）、偶尔在综合题中出现。
  • 分值占比：选择题2分。
  • 命题趋势：近年来倾向于将抖动与页框分配策略、页面置换算法结合考查，形成完整的性能分析场景。基于大纲与命题规律推测。

六、易错点提醒 ​

  1. 错误表现：认为抖动就是"缺页率高"。 错误原因：对抖动的定义理解不准确。 正确理解/做法：抖动不仅是缺页率高，更是一种恶性循环——所有进程都在等磁盘I/O，CPU利用率极低，系统几乎无法做有效工作。偶尔的高缺页率不等于抖动。

  2. 错误表现：认为工作集是固定不变的。 错误原因：忽略了程序不同阶段的页面需求不同。 正确理解/做法：工作集随程序运行阶段变化。例如程序从"计算阶段"进入"I/O阶段"时，工作集可能发生剧烈变化。这也是可变分配策略比固定分配策略更合理的原因。

  3. 错误表现：认为增加并发进程数可以提高CPU利用率。 错误原因：忽略了抖动的可能。 正确理解/做法：在内存充足时，增加并发进程数确实可以提高CPU利用率。但当内存不足以容纳所有进程的工作集时，增加并发进程会导致抖动，CPU利用率反而急剧下降。存在一个最优的并发进程数。

七、来源标注 ​

  • 依据2026考研统考408大纲
  • 依据《操作系统概念》（Operating System Concepts, Silberschatz）第10章
  • 依据汤小丹《计算机操作系统》第4版第3章

考研全科复习资料 - 基于2026考研统考大纲

仅供学习参考