计算机系统学习4:虚拟内存

一.概述

计算机系统中，CPU是绝对的核心，主要负责执行指令，从而实现计算机的功能。CPU的执行速度极快，有多快呢？以ns为单位。相比而言，内存比CPU慢100倍，硬盘比CPU慢100多万倍。但是，CPU有个很大的缺点，就是它的脑容量极小，不能保存指令，因此指令都保存在硬盘中。CPU每次执行指令的时候，都会将硬盘中的指令加载到内存中，然后执行加载到内存中的指令。那么为什么用硬盘存储指令呢？因为CPU和内存在断电的时候，全部都会清零，而硬盘则不会。

CPU每次执行命令的时候，都需要存内存中读取指令，尽管内存只比CPU慢100多倍，但是当指令多了之后，内存的速度仍然不足。而程序的局部性原理的出现则能够比较好的解决这个问题。

程序的局部性原理有2个,分别是时间局部性原理和空间局部性原理。

1. 时间局部性原理：如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行； 如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。
2. 空间局部性原理：一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也将被访问。

由于局部性原理的存在，因此可以将CPU经常访问的同一块区域的东西都缓存到CPU中，CPU每次读写命令和数据的时候，先找缓存，如果缓存没有，再找内存，这样就可以大大提高执行速度。

但是这种方法也有缺点，那就是当操作系统在做程序切换的时候，缓存就会失效，因为2个程序之间没有什么联系，局部性原理不起作用， 所以需要重建缓存。

二.虚拟内存

CPU所在的系统是一个批处理的计算机系统，操作系统收集了一批任务之后，就会把这一批任务都 逐个 加载到内存中（注意一个新装入的程序会完全覆盖老的程序），让CPU去顺序执行，但是，有时候CPU不止会在内存中取指令去执行，有时候也会有IO相关的操作，这时候内存和硬盘都在疯狂的Load数据，但是这个时候CPU就会空闲下来了，这样的话，CPU的利用效率就不高，因此，操作系统就得有一套机制，能够在内存中多加载几个程序，保证CPU执行一个程序被IO堵塞的时候，可以运行另外的程序，这个机制就称为分时系统，它的特点是多个程序并发执行，内存中一次存入尽可能多的程序，同时程序在内存中是独立可区分的。

那么，内存中加载多个程序的时候，内存如何分配呢？举个例子：