接下來幾節(jié)都是對虛擬存儲的講解。虛擬存儲是非連續(xù)存儲管理的擴展。通過將內存中的數(shù)據(jù)暫存到外存的方式，為進程提供更大的內存空間。虛擬存儲出現(xiàn)的主要原因是因為程序規(guī)模的增長速度遠遠大于存儲器容量的增長速度，導致內存空間不夠用。其實針對內存空間不夠用的問題有多重解決方案，比如覆蓋、交換、虛擬存儲。它們的概念如下：

• 覆蓋：應用程序手動把需要的指令和數(shù)據(jù)加載到內存；
• 交換：操作系統(tǒng)自動把暫時不能執(zhí)行的程序保存到外存中；
• 虛擬存儲：在有限的內存中，以頁為單位自動裝入更多更大的程序

覆蓋

目標：在較小的可用內存中運行較大的程序。

方法：依據(jù)程序邏輯，將程序劃分為若干功能相對獨立的模塊，不會同時執(zhí)行的模塊共享同一塊內存區(qū)域。具體有以下幾點：

• 必要部分（常用功能）的代碼和數(shù)據(jù)常駐內存；
• 可選部分（不常用功能）放在其它程序模塊中，只在需要時加載到內存；
• 不存在調用關系的模塊可以相互覆蓋，共用同一塊內存區(qū)域。

具體操作如下：假設有一個程序總大小190K，調用關系如下圖。我們按照上述原則對程序進行分組，比如A單獨一組，B與C沒有調用關系因此B、C一組，D、E、F沒有調用關系分為一組，分配內存時按照組內最大的模塊分配內存，如圖中右側，A劃分20K，B、C這組分配50K，D、E、F這組分配40K，按照需求向內存中加載。這樣這個程序可以在內存大小為110K的機器中運行。那么這種分組方式是不是最優(yōu)的呢？答案是否定的，我們可以將大小相近的分到一組，比如A單獨一組20K，B、E、F無調用關系50K，C、D無調用關系30K，總共需要100K內存。因此不同的分組方式對內存的需求是不一樣的。想要嚴格討論哪種方式內存需求最小是很復雜的。

缺點

• 增加編程困難。需要程序員劃分功能模塊，并確定模塊之間的覆蓋關系，增加了編程的復雜度；
• 增加執(zhí)行時間。需要將各程序模塊在內存模塊中換入換出，實際是用時間換空間。

交換

交換與覆蓋討論的尺度是不太一樣的。覆蓋是一個程序內，如果無法全部加載到內存，而交換是內存足夠放一個程序，而無法放多個程序。

目標：增加正在運行或需要運行的程序的內存。

實現(xiàn)方法：

• 可將暫時不能運行的程序放到外存；
• 換入換出的基本單位是進程；
• 換出是把一個進程的整個地址空間保存到外存；
• 換入是把一個進程的整個地址空間從外存加載到內存。

問題

• 交換時機：只當內存空間不足或有不足的可能的時候才進行換入換出；
• 交換區(qū)大小：存放所有用戶進程的所有內存映像的拷貝；
• 程序換入時的重定位：換入時不是放回原處，因此需要程序運行過程中采用動態(tài)地址映射。

覆蓋與交換對比：

• 覆蓋：

只能發(fā)生在沒有調用關系的模塊之間；

程序員須給出模塊之間的邏輯覆蓋關系；

發(fā)生在運行程序的內部模塊間。

• 交換：

以進程為單位；

不需要模塊間的邏輯覆蓋關系；

發(fā)生在內存進程間。

交換是可以通過操作系統(tǒng)實現(xiàn)的，而覆蓋是無法在操作系統(tǒng)中實現(xiàn)的，必須有程序員具體實現(xiàn)，增大了編程的難度。

虛擬存儲

虛擬存儲是想把一部分內存中的內容暫時存放到外存中，以提供更大的內存空間。例如

虛擬存儲的目標：

• 只把部分程序放到內存中，從而運行比物理內存大的程序。并且由操作系統(tǒng)完成，無需程序員的干涉。
• 實現(xiàn)進程在內存和外存在之間交換，從而獲得更多的空閑內存空間。在內存與外存之間只交換進程的部分內容。

局部性原理

具體講虛擬存儲之前先了解一下局部性原理。局部性原理是指程序在執(zhí)行過程中的一個較短時期，所執(zhí)行的指令地址和指令的操作數(shù)地址，分別局限于一定區(qū)域。比如通常指令在代碼段，操作數(shù)在數(shù)據(jù)段。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 時間局部性。一條指令的一次執(zhí)行和下次執(zhí)行，一個數(shù)據(jù)的一次訪問與下次訪問都集中在一個較短時期內；
• 空間局部性。當前指令和鄰近的幾條指令，當前訪問的數(shù)據(jù)和鄰近的幾條數(shù)據(jù)都集中在一個較小的區(qū)域內；
• 分支局部性。一條跳轉指令的兩次執(zhí)行，很可能跳轉到相同的內存位置。

由于局部性原理的存在，從理論上講，虛擬存儲技術是能夠實現(xiàn)的，可以取得滿意的效果。

虛擬存儲基本概念：

思路：將不常用的部分內存塊暫存到外存。

原理：裝載程序時，只將當前指令執(zhí)行需要的部分頁面或段裝入內存；指令執(zhí)行中需要的指令或數(shù)據(jù)不在內存中（缺頁或缺段）時，處理器通知操作系統(tǒng)將相應的頁或段調入內存中；操作系統(tǒng)將內存中暫時不用的頁面或段保存到外存中，如何判定哪些不常用，需要后續(xù)的置換算法。

實現(xiàn)方式：虛擬頁式存儲、虛擬段式存儲。

虛擬存儲的基本特征：

不連續(xù)性。物理內存分配非連續(xù)，虛擬地址空間使用非連續(xù)。

大用戶空間。提供給用戶的虛擬內存可大于實際的物理內存。

部分交換。虛擬存儲支隊部分虛擬地址空間進行調入和調出。

虛擬存儲的支撐技術：

• 硬件支持。頁式或段式存儲中的地址轉換機制。除之前非連續(xù)內存管理中所講的地址轉換，還要增加判斷所需要的內容不再內存中。
• 操作系統(tǒng)支持。管理內存和外存間頁面或段的換入和換出。

虛擬頁式存儲：

在頁式存儲管理的基礎上，增加請求調頁和頁面置換。具體思路是當用戶程序要裝載到內存運行時，只裝入部分頁面就啟動程序運行。進程在運行中發(fā)現(xiàn)有需要的代碼或數(shù)據(jù)不在內存時，則向系統(tǒng)發(fā)出缺頁異常請求。操作系統(tǒng)在處理缺頁異常時，將外存中相應的頁面調入內存，使得進程能夠繼續(xù)運行。如下圖所示，在頁表中加入標志位，當發(fā)現(xiàn)缺頁時觸發(fā)缺頁異常，操作系統(tǒng)接管，找到相應頁面置入內存，并將標志位修改為有效。

虛擬頁式管理中，頁表項結構有相應調整，如下圖：增加了幾個標志位。其中駐留位用來表示是否在內存中；修改位表示在內存中的該頁是否被修改過，因為如果沒有修改過而外存中又有這一頁面時不需要置換，直接作廢該頁表項即可，如果被修改過則需要重新置換；訪問位表示該頁是否被訪問過（讀或寫），用于置換算法，用于近似統(tǒng)計是否經(jīng)常訪問；保護位表示該頁的允許訪問方式，如可讀可寫。

示例：

下面是X86 32位系統(tǒng)以4K為頁幀大小時的頁表項結構：幀號項占20位，標志位中除了前面提到的駐留位、可寫標志、訪問位、修改位，還有幾個沒提到過的。一個是用戶態(tài)標志，表示用戶態(tài)是否可以訪問；保留位，用于擴展，比如現(xiàn)在很多32位系統(tǒng)不僅支持4G內存；CD位，緩存是否有效，是否允許啟用高速緩存；WT是否寫通。

缺頁異常：

缺頁異常即發(fā)現(xiàn)需要的內存頁不在內存中。缺頁異常處理流程如下圖：

執(zhí)行命令時CPU給出需要的邏輯地址，查找頁表；發(fā)現(xiàn)缺頁，產(chǎn)生缺頁異常；操作系統(tǒng)啟用缺頁異常例程，查找頁面在外存中的位置；從物理內存中找空閑頁幀并將頁面換入空閑處；將頁表項修改為有效；重新執(zhí)行導致異常的指令。

可以看到這是最順利的情況，如果換入時發(fā)現(xiàn)沒有空閑頁幀的話則需要額外幾步：根據(jù)頁面置換算法選擇要被換出的頁幀；判斷該頁幀是否被修改過，如果被修改過則寫回外存，否則直接作廢；將其對應的頁表項改為無效；然后將需要的頁幀換入空出來的區(qū)域，后續(xù)與最開始的流程一致。

虛擬頁式存儲中的外存是如何管理的呢？首先是在何處保存未被映射的頁？因為必須能夠方便地找到在外存中的頁面內容，因此我們需要一個交換空間，有兩種方式實現(xiàn)：磁盤或文件。Linux就是直接有交換分區(qū)。或者文件采用特殊格式存儲未被映射的頁面。

虛擬頁式存儲中的外存選擇也是個問題。代碼段本身就是存儲在可執(zhí)行文件中的，因此代碼段是直接指向你的可執(zhí)行文件；動態(tài)加載的共享庫程序段也直接指向相應的文件；其他段放在對換區(qū)。

虛擬頁式存儲管理的性能如何評價呢？

我們定義了一個有效存儲訪問時間（effective memory access time）EAT。

舉個例子:可以看到想要效率較高，需要缺頁率p極小。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学《操作系统》（七）：虚拟存储、覆盖、交换的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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