操作系统知识点——内存管理（三）

一、虚拟内存管理

（一）虚拟内存概念

1、局部性原理

大多数程序执行时，在一个较短时间内仅使用程序代码的一部分，相应地，程序所访问的存储空间也局限于某个区域，这就是程序执行的局部性原理。

时间局部性。一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问，都集中在一个较短的时间内。

空间局部性。当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的数据，都集中在一个较小的区域内。

2、虚拟内存定义

在程序装入时，一方面可以将程序的一部分放入内存，而将其余部分放在外存，然后启动程序（部分装入）。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存中时，再由操作系统将所需的部分调入内存（请求调入）。另一方面，操作系统将内存中暂时不适用的内容置换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息（置换功能）。这种从逻辑上扩充内存容量的存储器系统成为虚拟存储器（简称虚存）。

3、虚拟内存特征

虚拟内存的意义是让程序存在的地址空间与运行时的存储空间分开，程序员可以完全不考虑实际内存的大小，而在地址空间内编写程序，虚拟存储器的容量由计算机的地址结构决定，并不是无限大。虚拟内存具有如下特征：

离散性。程序在内存中离散存储。（离散性并不是虚拟内存特有的特征，基本分页和分段也具有离散性）。

多次性。一个作业可以多次调入内存。

对换性（交换性）作业在运行过程中可以换入、换出。

虚拟性。从逻辑上扩充内存容量，用户可以使用的空间可以远大于实际内存容量。

4、虚拟内存的软硬件支持

1、要有相当数量的外存，足以存放多个用户程序。

2、要有一定容量的内存，在处理器上运行的程序必须有一部分信息存放在内存。

3、中断机构，当用户访问的部分不在内存中时中断程序运行。

4、地址变换机构，以动态实现虚地址到实地址的地址变换。

5、相关数据结构，段表或页表。

（二）请求分页存储管理方式

1、请求分页原理

在分页存储管理系统的基础上，通过增加请求调页功能、页面置换功能所形成的一种虚拟存储系统。在请求分页存储管理中，作业运行前，只要将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行。在作业运行过程中，若所要访问的页面不在内存中，则通过调页功能将其调入，同时还可以通过置换功能将暂时不用的页面置换到外存上，以便腾出内存空间。

可以说，请求分页 = 基本分页 + 请求调页功能 + 页面置换功能。

2、页表结构

 

1、页号和物理块号。这两个字段在分页存储管理系统中已经定义过，是进行地址变换所必需的。

2、状态位（存在位）。用于判断页面是否在内存中，每当进行内存访问时，根据该位判断要访问的页面是否在内存中，若不在内存中，则产生缺页中断。

3、访问字段。用户记录页面在一段时间内被访问的次数，或最近已有多久未被访问，以供置换算法在选择换出页面时参考。

4、修改位。用户表示页面调入内存后是否被修改过，当处理器以写方式访问页面时，系统将设置该页面的修改位。由于内存中的页面在外存上都有副本，因此，若页面未被修改，则在该页面置换出时不需要将页面写到外存，以减少磁盘写的次数；若页面被修改，则必须将页面重新写到外存。

5、外存地址。用户指出页面在外存上的存放地址，供调入页面时使用。

3、缺页中断与地址变换

在请求分页存储管理系统中，若所访问的页面在内存中，其地址变换过程与分页存储管理系统相同；若访问的页面不在内存，则应先将该页面调入内存，再按照基本分页存储管理系统相同的方式进行地址变换。

若系统发现所要访问的页面不在内存中，便产生一个缺页中断信号，此时用户程序被中断，控制转到操作系统的缺页中断处理程序。缺页中断处理程序根据该页在外存的位置将其调入内存。在调页过程中，若内存中有空闲空间，则缺页中断处理程序只需要把缺页装入 任何一个空闲存储块中，再对页表的相应表项进行修改（如填写物理块号、修改状态位、设置访问字段及修改位初始值等）即可；若内存中没有空闲空间，则必须先淘汰内存中的某些页面，若被淘汰的页面曾被修改过，则要将其写回外存。

4、请求分页管理方式的优缺点

优点。①可以离散存储程序，降低了碎片数量；②提供虚拟存储器，提高了内存利用率，有利于多道程序运行，方便用户。

缺点。①必须有硬件支持；②有些情况下系统会产生抖动现象；③程序最后一页仍然存在未被利用的部分空间。

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