第三章 内存管理 十一、虚拟内存的基本概念

目录

一、传统存储管理

1、缺点

二、局部性原理

1、时间局部性：

2、空间局部性：

三、虚拟内存的定义和特征

1、结构

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2、定义

3、特征

（1）多次性:

（2）对换性:

（3）虚拟性:

四、如何实现虚拟内存

五、总结

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一、传统存储管理

1、缺点

（1）一次性: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。

（2）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

1、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）

2、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

1、结构

2、定义

1. 虚拟内存是一种计算机操作系统的内存管理技术，它将计算机物理内存和硬盘上的空间结合起来，使得进程能够使用超过物理内存容量的内存。
2. 虚拟内存将进程所需的部分数据和代码存储到物理内存中，而将不经常使用的数据和代码存储到硬盘上，当需要使用这些数据和代码时，再从硬盘上通过页调度等技术交换到物理内存中。
3. 虚拟内存可以大大提高计算机的运行速度和多任务处理能力。

3、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

虚拟内存一般是通过操作系统来实现的，具体的实现方式如下：

1. 分页系统：将虚拟地址空间划分为固定大小的页面（称为虚拟页面），并将物理内存也分为相同大小的页面（称为物理页面）。当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会将其转换为物理地址，并将相关的物理页面调入内存。

2. 页面置换算法：当内存不足时，需要选择一些不常用的物理页面来释放，以便新的页面可以被调入内存。常用的页面置换算法包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）等。

3. 页面缓存：操作系统也会使用一些缓存来优化虚拟内存的访问性能。比如，缓存一些常用的页面，以便快速访问；或者使用预读策略，提前将可能用到的页面缓存到内存中。

4. 交换空间：当物理内存不足时，操作系统会将一部分内存中的页面写回磁盘，并将它们存储在交换空间中。当需要时，可以将这些页面重新调回内存中。

总的来说，实现虚拟内存需要操作系统提供一系列的管理策略和机制，以便能够有效地管理内存，并提供较好的性能和可靠性。

五、总结