操作系统（13）虚拟存储器

前言

       操作系统中的虚拟存储器是一项关键技术，它为用户提供了一个远大于实际物理内存容量的逻辑内存空间。

一、定义与原理

       虚拟存储器是具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的存储器系统。其逻辑容量由内存容量与外存容量之和决定，运行速度接近内存，但成本接近于外存。虚拟存储器基于局部性原理构建，该原理指出程序在某段时间内主要访问其地址空间的一部分。

二、功能与作用

1. 扩大寻址空间：虚拟存储器为用户提供了一个远大于物理内存的虚拟地址空间，使得用户能够运行比物理内存实际容量更大的程序。
2. 提高开发效率：由于虚拟存储器提供了更大的内存空间，开发者可以更加自由地编写和调试程序，而无需担心内存不足的问题。
3. 资源优化：虚拟存储器通过自动实现部分装入和部分替换功能，优化了内存资源的利用，使得多个大内存需求的进程能够并发运行。
4. 内存保护：每个进程都有自己的虚拟地址空间，防止了进程间的非法内存访问，提高了系统的安全性。

三、分类与管理方式

     虚拟存储器主要分为三类：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器。

1. 页式虚拟存储器：将主存空间和程序空间都等分成固定大小的页，通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射。优点是页内零头小、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。
2. 段式虚拟存储器：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。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。
3. 段页式虚拟存储器：结合了段式和页式的优点，将程序按模块分段，每个段再分成与物理空间页同样小的页面。优点是综合了段式和页式的优点；缺点是增加了硬件成本，软件也较复杂。

四、地址空间与变换

       在虚拟存储器中，存在三种地址空间：虚拟地址空间（程序员编写程序时使用的地址空间）、主存地址空间（存放运行程序和数据的实际内存地址空间）和辅存地址空间（存放暂时不使用的程序和数据的外存地址空间）。

       CPU运行程序访问存储器时给出的地址是虚地址（虚拟地址），首先要进行地址变换。如果要访问的信息在主存中，则根据变换所得的物理地址访问主存；如果要访问的信息不在主存中，则要根据虚地址进行外部地址变换，得到辅存地址，把辅存中相应的数据块送往主存后再访问。

五、页面置换算法

     虚拟存储器中常用的页面置换算法包括：

1. 随机算法：随机选择一页进行置换。
2. 先进先出（FIFO）算法：按照页面进入内存的先后顺序进行置换。
3. 最近最少使用（LRU）算法：选择最近最少被使用的页面进行置换。
4. 时钟算法：一种近似LRU的算法，通过环形链表和访问位来实现页面的置换。

六、实现与应用

       在不同的操作系统中，虚拟存储器的实现方式可能有所不同。例如，在Windows XP中，采用了分页式的虚拟存储器管理方式；而Linux则支持多种页面大小，并采用了多级页表来减少页表占用的内存空间。此外，虚拟存储器在数据库系统、云计算等领域也有广泛的应用。

总结 

       综上所述，操作系统中的虚拟存储器是一项重要的技术创新，它通过提供远大于实际物理内存容量的逻辑内存空间，有效地解决了物理内存容量有限与程序对内存空间需求不断增长之间的矛盾。

 结语   

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