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。