计算机操作系统基础 (十)--- 存储管理之虚拟内存

引言

本文为第十篇，存储管理之虚拟内存，在正式了解之前，有一个问题，一个游戏十几G，物理内存只有4G，那么这个游戏是怎么运行起来的呢？为了解决这个问题，就需要本篇中介绍到的虚拟内存的知识



虚拟内存概述

• 有些进程实际需要的内存很大，超过物理内存的容量

• 多道程序设计，使得每个进程可用物理内存更加稀缺

• 不可能无限增加物理内存，物理内存总有不够的时候



这些原因就促使虚拟内存技术的产生



• 虚拟内存是操作系统内存管理的关键技术

• 使得多道程序运行和大程序运行成为现实

• 把程序使用内存划分，把部分暂时不使用的内存放置在辅存



举例：



左边为进程的逻辑空间，红色部分为一个程序需要使用的内存，操作系统会将内存加载到物理内存中去，灰色的部分为暂时不需要使用的内存，这部分会先放到磁盘中，这样可以节省物理内存，把更多的物理内存让给其它进程使用，并且，在这个里边，如果说这个进程的逻辑空间很大的话，这些很大，且暂时不需要的空间都可以放到磁盘里边暂时保管





程序的局部性原理

局部性原理指的是CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。这个原理也是使得虚拟内存技术可以实现的一个原因



因为有局部性原理

• 所以计算机在加载程序时，无需全部逻辑空间装入内存，装载部分即可(需要使用的部分)

• 如果发现所使用的内存不在物理内存中，则发出缺页中断，发起页面置换，把保存在辅存中的页面置换到物理内存中，这样程序又可以继续运行下去了

• 从用户层面看，程序拥有很大的空间，既是虚拟内存



虚拟内存实际上是对物理内存的扩充，速度接近于内存，成本接近于辅存



虚拟内存的置换算法

• 先进先出算法(FIFO)

• 最不经常使用算法(LFU)

• 最近最少使用算法(LRU)



高速缓存的替换时机



在高速缓存替换的时候，主要发生在CPU需要获取缓存的时候，发现缓存中没有对应的数据，此时就会发生高速缓存的替换，也就是从主存中载入所需数据





主存页面的替换时机



主存缺页的时候，就会去辅存中加载相关数据，这个时候就会发生主存页面替换





对比来看：

• 替换策略发生在：高速缓存-主存层次、主存-辅存层次

• 高速缓存-主存层次的替换策略主要是为了解决速度问题

• 主存-辅存层次主要是为了解决容量的问题(这也是存储器存储分层的理由)



在快速变化的技术中寻找不变，才是一个技术人的核心竞争力。知行合一，理论结合实践