操作系统 虚拟存储器的概念

虚拟存储器

程序装入内存时可能会出现如下问题

• 程序太大，要求的空间超出了内存总容量
• 有大量作业要求运行，但内存不能容下所有作业

常规存储器管理方式的特征

• 一次性：要求作业全部装入内存才能运行
• 驻留性

许多不用或暂时不用的程序占用了大量内存空间，而其他程序却无法装入！这是否必要？

局部性原理

1968年， Denning.P指出

• 程序执行时，除了少部分的转移和过程调用指令外，在大多数情况下仍是顺序执行的
• 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域，但经研究看出，过程调用的深度在大多数情况下都不超过5
• 程序中存在许多循环结构，这些虽然只由少数指令构成，但是它们将多次执行
• 程序中还包括许多对数据结构的处理，如对数组进行操作，它们往往都局限于很小的范围内

局限性又表现在下述两个方面

• 时间局限性  
  • 如果程序中的某条指令一旦执行， 则不久以后该指令可能再次执行
  • 如果某数据被访问过， 则不久以后该数据可能再次被访问
  • 典型原因是因在程序中存在着大量循环操作
• 空间局限性  
  • 一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行

虚拟存储器的基本思想是：

• 程序、数据、堆栈的大小可以超过内存的大小，操作系统把程序当前使用的部分保留在内存，而把其它部分保存在磁盘上，并在需要时在内存和磁盘之间动态交换

虚拟存储器支持多道程序设计技术

虚拟存储器定义

• 是指具有请求调入功能和置换功能， 能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而其成本却又接近于外存。
  
• 注意：一个虚拟存储器的最大容量是由计算机的地址结构确定的。如：若CPU的有效地址长度为32位，则程序可以寻址范围是0～(232)-1 ，即虚存容量为 4GB。
• 虚拟存储器的容量与主存的实际大小没有直接的关系，而是由主存与辅存的容量之和所确定。

虚拟存储器最基本的特征是离散性，在此基础上又形成了多次性及对换性的特征。其所表现出来的最重要的特征是虚拟性。

• 多次性
  • 一个作业被分成多次调入内存运行
• 对换性
  • 允许在作业的运行过程中进行换进、换出
• 虚拟性
  • 能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量

以CPU时间和外存空间换取昂贵内存空间，这是操作系统中的资源转换技术

虚拟存储器的实现都是建立在离散分配的存储管理方式基础上的，主要有：

• 请求分页系统
• 请求分段系统

请求分页系统

• 在分页系统的基础上增加了请求调页功能和页面置换功能
• 硬件支持
  • 请求分页的页表机制，它是在纯分页的页表机制上增加若干项而形成的，作为请求分页的数据结构；
  • 缺页中断机构，即每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时 便产生一缺页中断，以请求OS将所缺的页调入内存；
  • 地址变换机构， 它同样是在纯分页地址变换机构的基础上发展形成的
• 实现请求分页的软件
  • 用于实现请求调页的软件和实现页面置换的软件

请求分段系统

为了实现请求分段，系统同样需要必要的硬件支持：

1. 请求分段的段表机制。这是在纯分段的段表机制基础上，增加若干项而形成的；
2. 缺段中断机构。每当用户程序所要访问的段尚未调入内存时，产生一缺段中断，请求OS将所缺的段调入内存；
3. 地址变换机构。
   与请求调页类似，实现请求调段和置换功能也需要得到OS的支持。

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