挑战408——操作系统（21）——虚拟存储管理

这部分内容是组成原理和操作系统部分的交叉篇。有内容重复，也有内容相互补充。于是写在一起总结。

虚拟存储技术的引入

由于技术和成本等原因，主存的存储容量受到限制，并且各种不同的计算机所配置的物理内存容量多半不同，而程序设计的时候，人们显然不希望受到特定的计算机的物理内存大小的限制。此外，现代操作系统都支持着多道程序运行，如何让多个程序有效而安全的共享主存又是一个重要的问题。
于是为了解决上述的两个问题，计算机中采用了虚拟存储管理技术。

虚拟存储器的基本概念

主存和联机工作的辅存，共同构成了虚拟存储器，并在硬件和软件的共同管理之下工作。对于程序员而言，虚拟存储器是透明的，其具有主存的速度和辅存的容量。提高了存储系统的性价比。
虚拟存储器将主存或者辅存同一编址，形成庞大的地址空间。用户编程允许涉及到的地址称为逻辑地址，对应的空间为虚拟空间。而实际的主存单元的地址称为物理地址，对应的是主存地址空间。虚地址比实际地址要大得多。

调用的原理

CPU使用虚地址的时候，由硬件找出物理地址和逻辑地址间的关系。

1. 若对应的虚地址的存储单元已经装入主存，则进行地址转换，在此过程中，检查是否缺页（后面会说），地址越界或者是访问越权等等。这样CPU可以直接访问主存指示的实际单元。
2. 若不在主存，则把包含该字的一页或者一段调入主存后再由CPU访问。若此时主存已满，那么则使用置换算法，置换主存中的一页或者一段。

所编写的程序和数据，在操作系统的管理之下，先送入磁盘，再将当前运行的所需要的部分调入内存，供CPU使用。

虚拟存储器的基本原理

程序的局部性原理，是指程序在执行的过程中，常常会局部于某一存储单元附近，程序的局部性主要体现在以下的两个方面：

1. 空间局部性：程序在执行时访问的内存存储单位会局限在一个比较小的范围。这反映了程序顺序执行的特点。
2. 时间局部性：程序中执行的某些指令，会在不久后再次被执行，因为程序中可能存在大量的循环语句

于是得出一个结论：一个进程在执行的过程中，没有必要将其全部装入内存中，而仅将将要执行的那部分装入内存，其余部分暂时存入磁盘，这样当进程访问不在主存的那部分程序和数据的时候，再将其调入内存。若此时内存已满，那么就将一些暂时不用的部分置换出去。至于要置换的内容是什么，就就是后面的置换算法了。这样腾出空间后再调入内存，进程得以继续执行。
所以，也可以这么说，虚拟存储器，就是指的具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存进行扩充的一种存储系统。

虚拟存储器的内存分配

我们之前讲过内存的分配方式常见的分为两种——连续分配方式和离散分配方式。
那么在虚拟存储器中，是否可以采用连续分配方式呢？答案是否定的。为什么？因为在虚拟内存中，允许将一个作业分多次调入内存，若采用连续分配的方式，那么会使得一部分内存都处于暂时或者永久的空闲，这样内存的利用率不高，造成浪费。而且也无法从逻辑上扩充存储容量。
那么虚拟存储空间的大小（记为M）由是由谁决定的呢？首先我们应该得到这样的一个最基本的结论：

M ≤ 内存容量 + 辅存容量

这是显然的，超过了没空间给它分配啊。那么还得考虑一个问题，有那么多的空间，是不是就一定能访问到呢？我们知道，CPU的位数决定了其访问存储空间地址的范围大小。假设地址为32位，那么按字节编址，CPU能访问到的最大内存范围为2^32B,也就是4GB，假设分配的虚拟内存大于4GB，那么多出来的那些显然是没有意义的，因为根本访问不了啊，白白浪费。
所以，虚拟内存的大小还应该满足这样的条件;

M ≤ 计算机位数能访问的最大地址数

综上，虚拟内存的容量是区两者的最小值。

好了 虚拟内存概念就写那么多。下一篇是比较重要的东西了。