操作系统（10）-虚拟内存
一、定义
内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。为了解决这个问题，WINDOWS运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，这部分空间即称为虚拟内存，虚拟内存在硬盘上的存在形式就是 PAGEFILE.SYS这个页面文件。
【百度百科】虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间”等。
二、虚拟内存的工作方式
虚拟存储器是由硬件和操作系统自动实现存储信息调度和管理的。它的工作过程包括6个步骤： [3]
- 中央处理器访问主存的逻辑地址分解成组号a和组内地址b，并对组号a进行地址变换，即将逻辑组号a作为索引，查地址变换表，以确定该组信息是否存放在主存内。
- 如该组号已在主存内，则转而执行④；如果该组号不在主存内，则检查主存中是否有空闲区，如果没有，便将某个暂时不用的组调出送往辅存，以便将这组信息调入主存。
- 从辅存读出所要的组，并送到主存空闲区，然后将那个空闲的物理组号a和逻辑组号a登录在地址变换表中。
- 从地址变换表读出与逻辑组号a对应的物理组号a。
- 从物理组号a和组内字节地址b得到物理地址。
- 根据物理地址从主存中存取必要的信息。
三、虚拟内存的调度方式
调度方式有分页式、段式、段页式3种。页式调度是将逻辑和物理地址空间都分成固定大小的页。主存按页顺序编号，而每个独立编址的程序空间有自己的页号顺序，通过调度辅存中程序的各页可以离散装入主存中不同的页面位置，并可据表一一对应检索。页式调度的优点是页内零头小，页表对程序员来说是透明的，地址变换快，调入操作简单；缺点是各页不是程序的独立模块，不便于实现程序和数据的保护。段式调度是按程序的逻辑结构划分地址空间，段的长度是随意的，并且允许伸长，它的优点是消除了内存零头，易于实现存储保护，便于程序动态装配；缺点是调入操作复杂。将这两种方法结合起来便构成段页式调度。在段页式调度中把物理空间分成页，程序按模块分段，每个段再分成与物理空间页同样小的页面。段页式调度综合了段式和页式的优点。其缺点是增加了硬件成本，软件也较复杂。大型通用计算机系统多数采用段页式调度。
1.页式调度
通过页表可以把虚拟地址转换成物理地址。每个程序设置一张页表，在页表中，对应每一个虚页号都有一个条目，条目内容至少包含该虚页所在的主存页面地址(实页号)，用它作为实存地址的高位字段;实页号与虚拟地址的页内地址相拼接，就产生完整的实存地址，据此访问主存。
2.段式调度
另一种划分可寻址的存储空间的方法称为分段。段是按照程序的自然分界划分的、长度可以动态改变的区域。通常，程序员把子程序、操作数和常数等不同类型的数据划分到不同的段中，并且每个程序可以有多个相同类型的段。
3.段页式调度
四、虚拟内存的调度方式
- 随机算法：用软件或硬件随机数产生器确定替换的页面。
- 先进先出：先调入主存的页面先替换。
- 近期最少使用算法（LRU，Least Recently Used）：替换最长时间不用的页面。
- 最优算法：替换最长时间以后才使用的页面。这是理想化的算法，只能作为衡量其他各种算法优劣的标准。
虚拟存储器的效率是系统性能评价的重要内容，它与主存容量、页面大小、命中率，程序局部性和替换算法等因素有关。
五、虚拟内存的作用
虚拟内存提供了三个重要的能力： 缓存，内存管理，内存保护
- 将主存视为一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据
- 为每个进程提供了一致的地址空间，简化内存管理
- 保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏
六、总结
- 调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存。
- 地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址（这一过程称为内地址变换）；在访问辅存时把虚地址变成辅存的物理地址（这一过程称为外地址变换），以便换页。此外还要解决主存分配、存储保护与程序再定位等问题。
- 替换问题：决定哪些程序和数据应被调出主存。
- 更新问题：确保主存与辅存的一致性。
在操作系统的控制下，硬件和系统软件为用户解决了上述问题，从而使应用程序的编程大大简化。
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参考文章
- https://baike.baidu.com/item/虚拟内存/101812?fr=aladdin
- https://www.jianshu.com/p/baf3a13c47db
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