操作系统虚拟内存的基本概念（内存空间的扩充）

Posted 2021-09-15 bfhonor

一、虚拟内存的基本概念

（一）传统存储管理方式的特征、缺点

• 一次性【可用虚拟存储技术解决问题】 ：作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：
  ①作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行；
  ②当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳所有作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。
• 驻留性 ：一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。

（二）局部性原理

• 时间局部性 ：如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。（因为程序中存在大量的循环）
• 空间局部性 ：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。（因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的）
  

（三）虚拟内存的定义和特征

• 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。
• 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。
• 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。
• 在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存【操作系统虚拟性的一个体现，实际的物理内存大小没有变，只是在逻辑上进行了扩充。】
  
• 易混知识点：
  ①、虚拟内存的最大容量是由计算机的地址结构（CPU寻址范围）确定的
  ②、虚拟内存的实际容量 = min（内存和外存容量之和，CPU寻址范围）
  如：某计算机地址结构为32位，按字节编址，内存大小为512MB，外存大小为2GB。
  ③、则虚拟内存的最大容量为 232 B = 4GB
  ④、虚拟内存的实际容量 = min (232B, 512MB+2GB) = 2GB+512MB
• 虚拟内存有一下三个主要特征：
  ①、 多次性 ：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。
  ②、 对换性 ：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。
  ③、 虚拟性 ：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

（四）如何实现虚拟内存技术

• 虚拟内存技术，允许一个作业分多次调入内存。如果采用连续分配方式，会不方便实现。因此，虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础上。