操作系统：虚拟内存

操作系统：虚拟内存

课本P214-P243

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：
要有效地使用处理器和I/O设备，就需要在内存中保留尽可能多的进程。此外，还需要解除程序在开发时对程序使用内存大小的限制。
而解决这两个问题的途径就是虚拟内存技术。（虚拟内存允许进程执行时只将部分 程序放入内存，因此程序可以比物理内存大）
采用虚拟内存技术时，所有地址访问都是逻辑访问，并在运行时转换为实地址。
支持虚拟内存技术的两种基本方法就是分页和分段。
虚拟内存管理方案要求硬件和软件的支持

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

虚拟内存的基本概念

1.传统存储管理方式的特征和缺点

（1）一次性：作业数据必须一次性全部调入内存
（2）驻留性作业数据在整个运行期间都会常驻内存

2.局部性原理

局部性原理描述了一个进程中程序和数据引用的集簇倾向。
局部性原理用于避免系统抖动（系统抖动：当操作系统读取一块时，它必须把另一块换出 。若一块正好在将要用到之前换出，则操作系统就不得不很快地把它取回）

局部性原理表明虚拟内存方案是可行的
（1）时间局部性：现在访问的指令、数据在不久后很可能被再次访问
（2）空间局部性：现在访问的内存单元周围的内存空间，很可能在不久后内访问
（3）高速缓存技术：使用频繁的数据放到更高速的存储器中

3.虚拟内存的定义和特征

定义

（1）虚拟内存：用辅助存储器(一般指磁盘)作为内存的补充。 虚拟内存的大小受计算机寻址机制和可用的辅助存储器
容量限制，而不受内存容量的限制。
程序不需全部装入即可运行，运行时根据需要动态调入数据，若内存不够，还需换出一些数据。
（2）虚拟地址：即逻辑地址。虚拟内存中某字节的地址，仿 佛该字节在内存中(其实可能位于磁盘，但这对用户透明)。
（3）虚拟地址空间：分配给某进程(程序)的虚拟地址范围。
（4）实地址：即物理地址。物理内存中某字节的地址。
（5）驻留集：进程运行时装入内存的部分。
（6）缺页中断/缺段中断：当访问一个不在内存的逻辑地址时；OS阻塞该进程；启动磁盘I/O；装入所 需的页/段后，将阻塞进程置为就绪态。

特征

（1）多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
（2）对换性：无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许被分成在作业运行过程中，将作业换入、换出。
（3）虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量

一、硬件和控制结构（硬件支持）

虚拟内存的硬件支持：内存管理单元MMU(集成在CPU 中，或作为一个协处理器)

1.硬件特征

（1）MMU的功能：分解逻辑地址；逻辑地址到物理地址的转换；查找/更新快表TLB；进程切换时清空TLB；发出缺页中 断或越界中断；设置和检查页表中各个特征位等。

2.供硬件使用的必要控制结构

2.1分页

2.1.1页表结构

2.1.2地址转换

虚拟地址<页号, 页内偏移>实地址<页框号, 页内偏移>
步骤：（具体可参考第七章的地址转换的内容）
（但这里的步骤没有考虑到缺页中断）
（1）在页表寄存器找到页表
（2）查找页号
（3）通过上面两步在页表得到页框号
（4）加上逻辑地址的页内偏移量得到内存地址（即物理地址）

2.1.3缺页中断（页错误）

（1）在一条指令执行期间，当要访问的页不在内存时， 产生和处理缺页中断，然后重新执行该指令。
（2）一条指令的执行过程中可能会产生多次缺页中断
（3）在指令的执行期间，而非执行完成之后产生和处理中断，属于内中断

存在多级页表和倒排页表的原因：解决页表项占用过多内存的问题，具体分析如下
问题出现的原因：
在启动分页机制时需要用到页表，页表保存的是虚拟页号与物理页框之间的映射关系，其中页表项与虚拟内存页有一一对应的关系，当虚拟内存地址空间过大时（在现代计算机系统中通常允许一个进程的逻辑地址空间非常大，因此就有很多页表项，从而占用很多的内存空间）页表项会占用过多内存（即使采用大页面，该问题也不能得到缓解）。
具体来说就是：若虚拟地址空间为64位，页面大小为4KB，页表项大小为4Bytes，物理内存大小为512MB
如果采用单层页表计算可以得到页表项的数量为2^{64-12}
页表项占用的内存大小为2^{54}Byte
显然上述情况下单层页表的实现方式是不现实的，采用多级页表和倒排页表可以解决页表项占用过多内存的问题

单级页表存在的问题：
（1）页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用多个连续的页框

（2）没必要让