操作系统原理学习笔记（二十四）虚拟存储器概述

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存储器不足

• 各类存储器都要求作业在完全装入内存后才能运行&＃xff0c;就可能出现两种情况&＃xff1a;
  • 作业大小超过内存总容量&＃xff0c;无法运行。
  • 大量作业要求运行&＃xff0c;内存容量不足&＃xff0c;仅少量作业能运行。
• 这些情况有两种处理方式&＃xff1a;
  • 物理上增加内存。
  • 逻辑上扩充内存。

常规存储管理方式的特征与局部性原理

• 常规存储器管理方式的特征&＃xff1a;
  • 前面提到的物理存储器统称为传统存储器管理方式。
  • 一次性&＃xff1a;作业需要一次性装入内存才允许运行。
  • 驻留性&＃xff1a;直到运行结束&＃xff0c;整个作业将一直在内存中保留&＃xff0c;即便它是被阻塞的。
  • 注&＃xff1a;
    • 这部分有点奇怪&＃xff0c;首先是内容和标题不对应&＃xff0c;内容说是传统存储管理方式&＃xff0c;小标题说是常规存储器管理方式&＃xff0c;大标题说是常规存储管理方式。
    • 以及驻留性&＃xff0c;说是运行结束才会终止&＃xff0c;但是前面提到的兑换、分页、分段明明就是为了解决这个问题而出现的...
      • 操作系统原理学习笔记&＃xff08;二十一&＃xff09;-对换
      • 操作系统原理学习笔记&＃xff08;二十二&＃xff09;-分页存储管理方式
      • 操作系统原理学习笔记&＃xff08;二十三&＃xff09;-分段存储管理方式
• 局部性原理-由P.Denning于1968年提出&＃xff1a;
  • 论点&＃xff1a;
    • 程序执行时&＃xff0c;除少部分转移、过程调用命令外&＃xff0c;大部分情况下是顺序执行的。
    • 过程调用虽然会使程序执行轨迹转移&＃xff0c;但大多数情况下深度不超过5&＃xff0c;换句话说&＃xff0c;一定时间内&＃xff0c;程序的执行轨迹是可预知的。
    • 程序中的循环结构虽然不是顺序执行&＃xff0c;但是他会被循环调用。
    • 对数据结构的处理大多局限于小范围内。
  • 局限性还表现在两个方面&＃xff1a;
    • 时间局限性。某语句或数据刚被访问过&＃xff0c;则还会被访问的几率较大&＃xff0c;因为程序中存在大量循环结构。
    • 空间局限性&＃xff1a;某个存储单元被访问&＃xff0c;则附近的存储单元大概率将被访问&＃xff0c;因为顺序结构。
• 虚拟存储器的基本工作情况&＃xff1a;
  • 由局部性原理可知&＃xff0c;程序运行前&＃xff0c;不需要全部装入内存&＃xff0c;只需将需要用到的页/段装入内存即可。

虚拟存储器的定义与特征

• 定义&＃xff1a;
  • 具有请求调入功能、置换功能&＃xff0c;能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
  • 逻辑容量由内存与外存之和决定&＃xff0c;运行速度接近内存&＃xff0c;成本接近外存。
• 特征&＃xff1a;
  • 多次性&＃xff1a;作业可以分成多次调入内存&＃xff0c;仅将需要的部分调入内存即可运行。
  • 对换性&＃xff1a;作业的程序和数据不需要常驻内存&＃xff0c;允许换进换出。
  • 虚拟性&＃xff1a;从逻辑上扩充内存&＃xff0c;使得用户感受到的内存容量比实际的大。
  • 虚拟性基于多次性与对换性&＃xff0c;多次性与对换性又基于离散分配。

虚拟存储器的实现方式

• 虚拟存储器必然以离散分配方式存储&＃xff0c;如果是连续分配方式&＃xff0c;在调入作业时&＃xff0c;就需要在内存中预留一段连续的空间&＃xff0c;以便作业分次装入内存&＃xff0c;但这样反而造成内存资源浪费&＃xff0c;达不到有效的内存空间利用。
• 目前的虚拟存储器都是用下面方式之一实现的&＃xff1a;
• 分页请求系统&＃xff1a;
  • 在分页系统中&＃xff0c;增加请求调页功能和页面置换功能。
  • 允许仅装入少数页面的程序运行。
  • 通过调页功能与页面置换功能把即将运行的页面调入内存&＃xff0c;将暂不使用的页面调入外存。
  • 以页面为单位置换&＃xff0c;OS需要提供硬件支持与实现请求分页的软件。
  • 硬件支持&＃xff1a;
    • 请求分页的页表机制。
    • 缺页中断机构。
    • 地址变换机构。
  • 实现请求分页的软件&＃xff1a;
    • 在硬件支持下&＃xff0c;将所需页面调入内存&＃xff0c;并将暂不需要的页面置换到磁盘。
• 请求分段系统&＃xff1a;
  • 请求分段系统是在分段系统中&＃xff0c;加入请求调段及分段置换功能的段式虚拟存储系统。
  • 允许仅装入少数段的程序运行。
  • 通过调段功能与段置换功能把即将运行的段调入内存&＃xff0c;将暂不使用的段调入外存。
  • 以段为单位置换&＃xff0c;OS需要提供硬件支持与实现请求分段、段置换的软件。
  • 硬件支持&＃xff1a;
    • 请求分段的段表机制。
    • 缺段中断机构。
    • 地址变换机构。
  • 软件支持&＃xff1a;
    • 在硬件支持下&＃xff0c;将所需段调入内存&＃xff0c;并将暂不需要的段置换到磁盘。
• 请求分页系统比请求分段系统更简单&＃xff0c;因为作为其置换单位的页面&＃xff0c;是固定大小的&＃xff0c;而段是动态长度。