【清华大学陈渝】第五章虚拟存储

时间：2022年10月15日

一、虚拟内存的起因

有没有比内存更便宜、容量更大的设备？
有，硬盘。但是硬盘的速度远远慢于内存，程序不能放在硬盘上执行。
因此，操作系统能不能做出一个更大、更快、更便宜的虚拟内存空间。程序员直接针对虚拟内存空间操作。

如上图，一种OS抽象技术。在OS Kernel管理下，常用数据代码放在内存中。

在没有虚拟内存技术时，使用覆盖技术或交换技术：

程序太大，超过了内存的容量，可以采用手动的覆盖（overlay）技术；
程序太多，超过了内存的容量，可以采用自动交换（swapping）技术。
而虚拟内存技术，则是以更小的页粒度为单位，装入更多更大的程序。

二、覆盖技术

2.1 产生

上世纪80年代，当时操作系统能力较弱（DOS），硬件640K内存。

2.2 基本原理

把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个功能相对独立的程序模块；那些不会同时执行的模块共享同一内存区域，按时间先后来运行：
- 必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存；
- 可选部分（不常用功能）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要用时才装入内存；
- 不存在调用关系的模块不必同时装入到内存，从而可以相互覆盖，即这些模块共用一个分区。
上图是一个例，A、B、C、D、E、F是六个函数，不存在相互调用关系的函数共享一个内存空间，用到谁时调谁。

注意上例还有另外一种覆盖方法：（100K）
A 占一个分区：20K；
B、E和F共用一个分区：50K；
C和D共用一个分区：30K。

2.3 存在问题

最大问题开销问题非常大：

设计开销大，设计者需要考虑最优设计，如何安排模块；
运行过程中不停地涉及到硬盘读写。

三、交换技术

3.1 产生

早期Unix提供的一种方法：当多个程序运行时，交给操作系统管理内存，空间不够时，将不使用的程序导到硬盘中去。

内存保存到外存（swap out）
从外存导入内存（swap in）

3.2 交换技术中的问题

交换时机的确定：只有当内存空间不够或又不够的危险时换出；
交换区的大小：必须足够大存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝，必须对这些内存映像进行直接存取；
程序换入的重定位：换出后再换入内存的位置不一定一样，寻址可能会出现问题。所以最好采用动态地址映射的方法。

交换技术对于程序员来说是透明的，减轻了程序员的负担，但是系统的开销变大了。

四、虚存技术

4.1 目标

像覆盖技术那样，不是把程序的所有内容都放在内存中，但是是自动执行的，无需程序员干涉；
像交换技术那样，实现进程在内存与外存之间的交换，但是不是以一个程序为粒度，而是以页为粒度。

4.2 程序的局部性原理

程序的局部性原理（principle of locality）：指程序在执行过程中一个较短时期，所执行的指令地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域。可以表现为：

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都集中在一个较短时间内；
空间局部性：当前指令和临近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小的区域内。

程序的局部性原理表明，从理论上说，虚拟存储技术是能够实现的，而且在实现了以后应该能够取得一个满意的效果的。

例：页面大小为4K，分配给每个进程的物理页面数为1。在一个进程中，定义了如下的二维数组int A[1024][1024]，该数组按行存放在内存中，每一行放在一个页面中。

操作系统只用利用程序的局部性特点，才能很好地实现虚存技术。

4.3 虚存技术基本特征

大的用户空间：提供给用户的虚拟内存空间通常大于实际的物理内存，即实现了这两者的分离。如32位的虚拟地址理论上可以访问4GB，而可能计算机上仅有256M的物理内存，但硬盘容量大于4GB。
部分交换：与交换技术相比，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的；
不连续性：物理内存分配的不连续，虚拟地址空间使用的不连续。

4.4 虚拟页式内存管理

物理内存与虚拟内存靠页表进行索引。页表项中，还有代表“存在与否”等的bit。

大部分虚拟存储系统都采用虚拟页式存储管理技术，即在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能。

基本思路：

当一个用户程序要调入内存运行时，不是将程序的所有页面都装入内存，而是只装入部分的页面，就可启动程序运行；
在运行的过程中，如果发现要运行的程序或要访问数据不在内存，则向系统发出缺页中断请求，系统在处理这个中断时，将外存中相应的页面调入内存，使得该程序能够继续运行。（请求调页、页面置换）

因此，在页表表项增加几个bit。

例如下：

上图中，X代表驻留位为0。

对于逻辑地址0，其在0K到4K，索引值为2，其物理地址为4K*2=8192。而对于32790,32K~36K的驻留位为0，因此产生缺页异常。

因此，缺页中断时很重要的一个步骤，导演了内外存相互交换的动作。

具体细节将在实验环节展开讲解。置换算法将在下节课进行讨论。

4.5 后备存储（Backing Store）

在何处保存未被映射的页？
- 能够简单地识别在二级存储器中的页
- 交换空间（磁盘或者文件）：特殊格式，用于存储未被映射的页面。

因此有后备存储的概念：

一个虚拟地址空间的页面可以被映射到一个文件（在二级存储中）中的某个位置；
代码段：映射到可执行二进制文件；
动态加载的共享库程序段：映射到动态调用的库文件；
其他段：可能被映射到交换文件（swap file）

4.6 虚拟内存性能

为了便于理解分页的开销，使用有效存储器访问时间effective memory access time(EAT)。

EAT = 访问时间 * 页表命中几率 * + page fault处理时间 * page fault几率

例子：
访问时间：10ns
磁盘访问时间：5ms
参数p=page fault几率
参数q=dirty page几率

EAT=10(1−p)+5000000p(1+q)

如果p足够小，则使效率够。

我们的程序局部性保证了EAT足够小。

参考

清华大学陈渝操作系统原理

感谢

清华大学陈渝老师操作系统原理（2014版）