OS总结（四）：虚拟内存

1、虚拟内存的起因

1.1 起因

经常出现内存不够了。程序规模的增长大于存储器容量的增长。

理想的存储器：更大，更快，更便宜，非易失性存储。

实际的存储器：

把硬盘的空间也用上（扮演内存的作用）

不常用的放在硬盘上，常用的放在内存上。

1.2 如何处理计算机系统中（尤其是多道程序运行的环境中）可能会出现的内存不足情况

（1）如果程序太大，超过了内存的容量，可以采用 手动的覆盖（overlay）技术，只把需要的指令和数据保存在内存中

（2）如果是程序太多，超过了内存的容量，可以采用 自动的交换（swapping） 技术，把暂时不能执行的程序送到外存中

（3）如果想在有限容量的内存中，以更小的页粒度为单位装入更多更大的程序，可以采用 自动的虚拟存储技术

2、覆盖技术

2.1 目标

在较小的可用内存中运行较大的程序。常用于多道程序系统，与分区存储管理配合使用。

2.2 原理

把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个功能上相对独立的程序模块，那些不会同时执行的模块共享同一块内存区域，按时间先后来运行。

（1）必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存

（2）可选部分（不常用功能）在其它程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要时才装入内存。

不存在调用关系的模块不必同时装入内存，从而可以相互覆盖，即这些模块共用一个分区。

2.3 缺点

由程序员来把一个大的程序划分为若干个小的功能模块，并确定各个模块之间的覆盖关系，费时费力，增加了编程的复杂度。而覆盖模块从外存装入内存，是以时间换空间。

3、交换技术

3.1 目标

多道程序在内存中时，让正在运行的程序或需要运行的程序获得更多的内存资源。

3.2 方法

（1）可将暂时不能运行的程序送到外存，从而获得空闲内存空间。

（2）操作系统把一个进程的整个地址空间的内容保存到外存中（换出swap out），而将将外存中的某个进程的地址空间读入到内存中（换入swap in）。换入换出内容大小为整个程序的地址空间。

3.3 交换技术实现中的几个问题

（1）交换时机的确定：只有当内存空间不够或有不够的危险时换出

（2）交换区的大小：必须足够大以存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝，必须能对这些内存映像进行直接存取

（3）程序换入时的重定位：因为换出换入后的内存位置不一定相同，所以最好采用动态地址映射的方法

3.4 覆盖与交换技术的比较

覆盖只能发生在那些（程序内）相互之间没有调用关系的程序模块之间，因此程序员必须给出程序内的各个模块之间的逻辑覆盖结构。交换技术是以在内存中的程序大小为单位来进行的，它不需要程序员给出各个模块之间的逻辑覆盖结构。交换发生在内存中 程序 与 管理程序或操作系统 之间，而覆盖则发色会跟你在运行程序的内部。

4、虚拟内存管理技术（简称虚存技术）

4.1 虚存技术的目标

解决覆盖技术给程序员负担大和交换技术处理器开销大的问题。像覆盖技术一样，不是把程序的所有内容都放在内存中，因而能够运行比当前的空闲内存空间还要大的程序。但做得更好，能由操作系统自动完成，无需程序员介入；能像交换技术那样，能够实现进程在内存和外存之间的交换，因而获得更多的空闲内存空间。但能做得更好，只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换。

4.2 程序的局部性原理（Principle of locality）

指程序在执行过程中的一个较短时间，所执行的指令地址和指令的操作数地址分别局限于一定区域，表现为：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间里；空间局部性——当前指令和领近的几条指令，当前访问的数据和领近的几个数据都集中在一个较小区域内。 程序的局部性原理表明，从理论上来说，虚拟存储技术是能够实现的，而且在实现了以后应该能够取得一个满意的效果的。

注意：方法1是按行访问，也就是每跳过1024个访问一个，考虑到4k只能放1024个数字（一个int占32位，4个byte），所以每次访问都会换入换出，不满足空间局部性。

4.3 虚存技术的基本概念

4.4 虚存技术的基本特征

4.5 虚拟页式内存管理

4.6 后备存储

4.7 虚拟内存性能