【操作系统】存储模型（二）：虚拟存储技术和置换算法

1 虚拟存储技术（Virtual Memory）

1.1 概念

当进程运行时，先将其一部分装入内存，另一部分暂留在磁盘，当要执行的指令或访问的数据不在内存时，由操作系统自动完成将它们从磁盘调入内存的工作。
虚拟地址空间即为分配给进程的虚拟内存。
虚拟地址是在虚拟内存中指令或数据的位置，该位置可以被访问。

1.2 存储器的层次的结构

1.3 虚存与存储体系

1. 把内存与磁盘有机的结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存”，即虚存
2. 虚存是对内存的抽象，构建在存储体系之上，由操作系统协调各存储器的使用
3. 虚存提供了一个比物理内存大得多的地址空间。虚存的大小受到计算机系统的寻址机制和磁盘可用空间的限制。

1.4 地址保护

包括以下三个要点：

1. 确保每个进程有独立的地址空间
2. 确保进程访问合法的地址范围（防止地址越界）
3. 确保进程的操作是合法的（防止越权，如对只读内存不能执行写操作）
   

1.5 虚拟页式（Paging）

虚拟页式存储管理系统：虚拟存储技术+页式存储管理方案。
虚拟页式的基本思想在于：

进程开始运行之前，不是装入全部页面，而是装入一个或零个页面，之后根据进程运行的需要动态的装入其他页面，当内存已满，而又要重新装入新的页面时，则根据某种算法置换内存中的某个页面，以便装入新的页面。

具体有两种方式：

1. 请求调页（demand paging）：只要在需要的时候才由OS调入内存
2. 预先调页（prepaging）：将可能用到的资源提前调入内存
   虚拟页式利用了资源转换技术：即以CPU时间和磁盘空间来换取昂贵的内存空间。

2 虚拟页式中的页表及页表项的设计

2.1 概念

页表是由页表项组成的。页表项的设计是由硬件保证的，表项的组成如下表所示。
表2-1 页表项的组成

属性	说明
页框号	即内存块号，也称物理页面号
有效位	也称中断位，表示该页是在内存还是在磁盘，通常值为0表示相应内容尚未读入内存
访问位	引用位，表示该页是否被访问过
修改位	此页在内存中是否被修改过
保护位	页的读/写权限

2.2 关于页表

2.2.1 页表规模

1 关于32位虚拟地址空间的页表规模？
页面大小为4K，页表项大小为4字节，则一个进程地址空间有【2³²/(4K)=2³²/2¹²=2²⁰】页；其页表需要占【4K/4=1K=1024】页。
2 关于64位虚拟地址空间的页表规模？
页面大小为4K，页表项大小为8字节；页表规模达到32000TB。可想而知是多么大。因此需要实现将页表页在内存中不连续存放，基本思想是为页表页创建地址索引表，即页目录（Page Directory）。

2.2.2 多级页表结构及地址映射

2.2.2.1 二级页表结构及地址映射