---

JAVA后端開發(fā)知識總結(jié)（持續(xù)更新…）

---

虛擬內(nèi)存與虛擬存儲技術(shù)

---

參考文檔

B站：《王道考研 操作系統(tǒng)》
《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》

《虛擬內(nèi)存的那點事兒》

---

文章目錄

• 虛擬內(nèi)存與虛擬存儲技術(shù)
• 參考文檔
• • 一、虛擬內(nèi)存基本概念
  • 二、請求分頁管理方式
  • • 2.1 請求頁表機制
    • 2.2 缺頁中斷機構(gòu)
    • 2.3 頁面置換算法

---

一、虛擬內(nèi)存基本概念

??虛擬存儲技術(shù)是內(nèi)存空間擴充的相關(guān)技術(shù)，在傳統(tǒng)存儲管理方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合內(nèi)存擴充技術(shù)從邏輯上擴充內(nèi)存容量。

• 傳統(tǒng)存儲管理方式的缺點

??一次性：作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后才能開始運行，造成兩個問題：①作業(yè)很大時，不能全部裝入內(nèi)存；②當(dāng)大量作業(yè)要求運行時，無法容納所有作業(yè)，只有少量作業(yè)能運行，導(dǎo)致多道程序并發(fā)度下降。

??駐留性：一旦作業(yè)被裝入內(nèi)存，就會一直駐留在內(nèi)存中，直至作業(yè)運行結(jié)束。但在一個時間段內(nèi)，只需要訪問作業(yè)的一小部分數(shù)據(jù)即可正常運行，這就導(dǎo)致了內(nèi)存中會駐留大量的、暫時用不到的數(shù)據(jù)，浪費了寶貴的內(nèi)存資源。

??上述問題可以通過虛擬存儲技術(shù)解決，可以只裝入部分程序到內(nèi)存就開始運行，虛擬存儲技術(shù)是基于局部性原理的：

• 局部性原理

??時間局部性 ：如果執(zhí)行了程序中的某條指令，那么不久后這條指令很有可能再次執(zhí)行；如果某個數(shù)據(jù)被訪問過，不久之后該數(shù)據(jù)很可能再次被訪問。（因為程序中存在大量的循環(huán)）

??空間局部性 ：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也很有可能被訪問（因為很多數(shù)據(jù)在內(nèi)存中都是連續(xù)存放的，并且程序的指令也是順序地在內(nèi)存中存放的）。

• 應(yīng)用局部性原理

??高速緩沖技術(shù)：時間局部性是通過將近期會頻繁訪問到的指令和數(shù)據(jù)放到更高速的緩存存儲器中，暫時用不到的數(shù)據(jù)放在更低速存儲器中。空間局部性通常是使用較大的高速緩存，并將預(yù)取機制集成到高速緩存控制邏輯中實現(xiàn)。
??虛擬內(nèi)存技術(shù)實際上就是建立了“內(nèi)存一外存”的兩級存儲器的結(jié)構(gòu)，利用局部性原理實現(xiàn)髙速緩存。

• 虛擬內(nèi)存

??基于局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快會用到的部分裝入內(nèi)存，暫時用不到的部分留在外存，然后就可以讓程序開始執(zhí)行。
??在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負責(zé)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。
??若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負責(zé)將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出到外存。在操作系統(tǒng)的管理下，在用戶看來似乎有一個比實際內(nèi)存大得多的內(nèi)存，這就是虛擬內(nèi)存。
??虛擬內(nèi)存的重要意義是它定義了一個連續(xù)的虛擬地址空間，把內(nèi)存擴展到硬盤空間是使用虛擬內(nèi)存的必然結(jié)果。實際上，它通常是被分隔成多個物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時存儲在外部磁盤存儲器上，在需要時進行數(shù)據(jù)交換。
??虛擬內(nèi)存為每個進程提供了一個一致的、私有的地址空間，它讓每個進程產(chǎn)生了一種自己在獨享主存的錯覺（每個進程擁有一片連續(xù)完整的內(nèi)存空間）。

??虛擬內(nèi)存的實現(xiàn)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上，與傳統(tǒng)離散內(nèi)存管理技術(shù)的區(qū)別是新增了兩大功能：

操作系統(tǒng)提供請求調(diào)頁（或請求調(diào)段）功能：當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時，由操作系統(tǒng)負責(zé)將所需信息從外存調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。

操作系統(tǒng)提供頁面置換（或分段置換）的功能：若內(nèi)存空間不夠，由操作系統(tǒng)負責(zé)將內(nèi)存中暫時用不到的信息換出到外存。

二、請求分頁管理方式

??請求分頁存儲管理與基本分頁存儲管理的主要區(qū)別在于新增了請求調(diào)頁和頁面置換功能，根本區(qū)別在于是否將程序所需的全部地址空間都裝入內(nèi)存。請求分頁是目前最常用的一種實現(xiàn)虛擬存儲器的方法。請求分頁存儲管理系統(tǒng)中，在作業(yè)開始運行之前，僅裝入當(dāng)前要執(zhí)行的部分頁即可運行。

2.1 請求頁表機制

2.2 缺頁中斷機構(gòu)

??缺頁中斷是因為當(dāng)前執(zhí)行的指令想要訪問的目標頁面未調(diào)入內(nèi)存而產(chǎn)生的，因此屬于內(nèi)中斷。一條指令在執(zhí)行期間，可能產(chǎn)生多次缺頁中斷。

基本流程：

在請求分頁系統(tǒng)中，每當(dāng)要訪問的頁面不在內(nèi)存時，便產(chǎn)生一個缺頁中斷，然后由操作系統(tǒng)的缺頁中斷處理程序處理中斷。

此時缺頁的進程阻塞，放入阻塞隊列，調(diào)頁完成后再將其喚醒，放回就緒隊列。

如果內(nèi)存中有空閑塊，則為進程分配一個空閑塊，將所缺頁面裝入該塊，并修改快表和頁表中相應(yīng)的頁表項。

如果內(nèi)存中沒有空閑塊，則由頁面置換算法選擇一個頁面淘汰，若該頁面在內(nèi)存期間被修改過，則要將其寫回外存，未修改過的頁面不用寫回外存。

相應(yīng)的地址變換機構(gòu)：

2.3 頁面置換算法

• 最佳置換算法（OPT）

??每次選擇淘汰的頁面將是以后永不使用，或者在最長時間內(nèi)不再被訪問的頁面，這樣可以保證最低的缺頁率。但是，最佳置換算法是無法實現(xiàn)的。

• 先進先出置換算法（FIFO）

??每次選擇淘汰的頁面是最早進入內(nèi)存的頁面。把調(diào)入內(nèi)存的頁面根據(jù)調(diào)入的先后順序排成一個隊列，需要換出頁面時選擇隊頭頁面即可。

• 最近最久未使用置換算法（LRU）

??每次淘汰的頁面是最近最久未使用的頁面。賦予每個頁面對應(yīng)的頁表項中，用訪問字段記錄該頁面自上次被訪問以來所經(jīng)歷的時間t。當(dāng)需要淘汰一個頁面時，選擇現(xiàn)有頁面中 t 值最大的，即最近最久未使用的頁面。

??最佳置換算法性能最好，但無法實現(xiàn)；先進先出置換算法實現(xiàn)簡單，但算法性能差；最近最久未使用置換算法性能好，是最接近OPT算法性能的，但是實現(xiàn)起來需要專門的硬件支持，算法開銷大。

??時鐘置換算法是一種性能和開銷較均衡的算法，又稱CLOCK算法，或最近未用算法（LFU）。

• 時鐘置換算法（CLOCK）

??為每個頁面設(shè)置一個訪問位和修改位，再將內(nèi)存中的頁面都通過鏈接指針鏈接成循環(huán)隊列。
??訪問位為1，表示最近訪問過，訪問位為0，表示最近沒訪問過。
??在其它條件都相同時，應(yīng)優(yōu)先淘汰沒有修改過的頁面，避免I/O操作。修改位=0，表示頁面沒有被修改過，修改位=1，表示頁面被修改過。改進型CLOCK置換算法選擇一個淘汰頁面最多會進行四輪掃描。

對比：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统——7.虚拟存储技术的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。