4 虚拟内存

概述
覆盖技术（Overlay）
交换技术（Swapping）
虚拟内存技术

概述

起因：应用程序对内存的容量的需求大于内存容量的增长速度
解决办法：
- 起初，OS的内存管理能力较弱，程序员可以采取手动覆盖（overlay）的方法，自己编写程序，只将需要的程序和数据留在内存中，不需要的放硬盘（代表：DOS系统）
- 后期，当程序太多，超出内存容量时，可采用自动的交换（swapping）技术，将暂时不使用的程序送到外存
- 现在，如果想要在有限的内存中，以更小的页粒度放入更多、更大的程序，可以采用自动的虚拟存储技术

覆盖技术（Overlay）

按照程序自身逻辑结构，对程序功能模块进行拆分，对不会同时执行的模块，按时间先后加载到内存中去
- 程序必要模块（常用功能）的代码和数据常驻内存，同时负责该程序的内存调度
- 对于可选功能（不常用功能），平时存放在外存中，只在被调用时才加载到内存中去
- 对于不存在相互调用关系的模块，在不同时间段加载到同一块内存分区，可以相互覆盖
缺点：
- 程序员需要对程序的功能模块进行拆分，考虑程序的覆盖顺序，增加了程序员的设计开销
- 覆盖模块从外存加载到内存，IO增加了时间开销

交换技术（Swapping）

通过将暂时不运行的程序存放到外存中，以腾出空闲内存空间
- Swap in：OS从外存中某个进程的地址空间读入内存
- Swap out：当内存空间不够时，OS在MMU的帮助下，将内存中一个进程的整个地址空间的内容存放到外存中
- 换入换出的大小为整个程序的地址空间
- 交换过程由OS管理，对程序员透明
问题
- 何时交换? 交换时间开销较大，只有当内存空间不足或有不足的风险时换出
- 交换区大小：必须足够大，以存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝
- 程序换入时的重定位：换出后再换入的内存位置一定要在原来的位置上吗？- 最好采用动态地址映射的方法
覆盖 vs 交换
- 覆盖需要程序员给出程序的逻辑覆盖结构，交换则完全由OS负责
- 交换发生在程序与程序之间，覆盖发生在程序内部的模块之间

虚拟内存技术

原理: 将内存中暂时不运行的程序、数据存放到外存中去
与覆盖和交换技术的对比
- 虚存技术和覆盖技术都是只加载程序的一部分到内存中去，但覆盖技术需要由程序员手动给出程序的逻辑覆盖结构，而虚存技术则是由OS进行管理
- 虚存技术和交换技术都会将内存中暂时不用的程序、数据存放到外存中去，但交换技术是将内存中整个进程的代码和数据swap out到外存中，而虚存技术只是将程序部分代码、数据存放到外存
如何实现OS自动管理？ → 程序局部性原理
- 时间局部性：一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短的时期内
- 空间局部性：一条指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小区域内
- 程序局部性表明，从理论上说，虚存技术是能够实现的，而且实现以后应该是能够得到一个满意的效果的
可以在页式或段式内存管理的基础上实现
- 在装入程序时，不必将整个程序装入内存，只需将当前需要执行的部分页或段装入内存，即可让程序运行
- 在程序执行中，如果需要执行的指令或访问的数据尚未在内存中（缺页或缺段异常），则由处理器通知OS将相应页／段调入内存，然后继续执行程序
- 当内存不足时，OS将内存中暂时不使用的页 / 段保存到外存上，从而腾出更多空闲空间存放将要装入的程序及将要调入的页 / 段
基本特征：
- 大的用户空间：通过将物理内存和外存相结合，使得提供给用户的虚拟内存空间大于实际的物理内存，即实现二者的分离
- 部分交换：与交换技术相比，虚存技术的调入调出是对部分虚拟空间进行的
- 不连续性：物理内存分配不连续；虚拟地址空间也是不连续的（不连续的物理内存swap out导致）
虚拟页式存储管理
- 大部分虚拟存储系统均采用虚拟页式存储管理技术，即在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换功能
- 基本原理
  - 当一个用户程序要调入内存时，不是将程序的所有页面都装入内存，而是只装入部分页面，就可启动程序运行
  - 运行过程中，如果发现要运行的程序或访问的数据不在物理内存中，则CPU向OS发出缺页中断请求。系统处理该中断时，将外存相应页面调入内存，使该程序能够继续运行（内存已满时，采用页面置换算法）。
- 页表表项 -- 增加了部分标识位flags
  - 驻留位(resident bit)：表示该页是否在物理内存中。1表示存在于内存中，该页表项有效；0表示该页还在外存中，若访问该页将导致缺页中断。
  - 保护位：表示允许对该页做何种类型的访问（如只读、可读写、可执行等）
  - 修改位（dirty bit)：表示该页在内存中是否被修改过，当系统回收该物理页面时，根据该位决定是否将该页写到外存。若未修改过，可直接释放内存。
  - 访问位（access bit)：表示该页在内存中是否被访问过。如果该页被频繁访问，则页面置换时不应将其换到外存中；反之，说明该页不常被访问，可置换到外存中
- 缺页中断处理过程：
  1. 如果内存中有空闲的物理页面，则分配一物理页帧，然后转步骤4，否则转2
  2. 采用某种页面置换算法，选取一将被置换的物理页帧f，其对应的逻辑页号为q。若页帧f在内存中被修改过，则将其写回外存
  3. 修改q对应的页表项，驻留位置为0
  4. 将需要访问的页p装入物理页面f中
  5. 修改p对应的页表项的内容，将驻留位置1，物理页帧号置f
  6. 重新允许被中断的指令
- 后备存储（Backing Store）--> 二级存储
  - 一个虚拟地址空间的页面可以被映射到一个文件（在二级存储中）中的某个位置
  - 代码段：映射到可执行二进制文件，需要执行相应的指令时才被加载到内存中去
  - 动态加载的共享库程序段：映射到动态调用的库文件
  - 其他段：可能被映射到交换文件
- 虚拟内存性能 -- 衡量分页开销
  - 通过有效存储器访问时间EAT（Effective memory Access Time)衡量
  - EAT = 访存时间 x 页表命中率 + 缺页中断处理时间 x 缺页中断几率
  - 例子：
```
- 访存时间：10 ns
- 磁盘访问时间：5 ms
- 参数p -- page fault（缺页中断）几率
- 参数q -- dirty page几率 (内存修改位为1，需要Swap Out)
- EAT = 10(1 - p) + 5,000,000p(1 + q)
```