操作系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存

由天下分享時間：2022-04-08 11:46:22 加入收藏我要投稿點(diǎn)贊

我們知道電腦的硬件中有內(nèi)存條(物理內(nèi)存)、硬盤，當(dāng)內(nèi)存條中的空間不足時操作系統(tǒng)會從硬盤中分配一部分空間當(dāng)作內(nèi)存來使用。這里給大家分享一些關(guān)于操作系統(tǒng)中的虛擬內(nèi)存，希望對大家能有所幫助。

傳統(tǒng)存儲管理方式的特征

各種內(nèi)存管理策略都是為了同時將多個進(jìn)程保存在內(nèi)存中以便允許多道程序設(shè)計(jì)。它們都具有以下兩個共同的特征：

1) 一次性

作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后，方能開始運(yùn)行。這會導(dǎo)致兩種情況發(fā)生：

· 當(dāng)作業(yè)很大，不能全部被裝入內(nèi)存時，將使該作業(yè)無法運(yùn)行;

· 當(dāng)大量作業(yè)要求運(yùn)行時，由于內(nèi)存不足以容納所有作業(yè)，只能使少數(shù)作業(yè)先運(yùn)行，導(dǎo)致多道程序度的下降。

2) 駐留性

作業(yè)被裝入內(nèi)存后，就一直駐留在內(nèi)存中，其任何部分都不會被換出，直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。運(yùn)行中的進(jìn)程，會因等待I/O而被阻塞，可能處于長期等待狀態(tài)。

局部性原理

要真正理解虛擬內(nèi)存技術(shù)的思想，首先必須了解計(jì)算機(jī)中著名的局部性原理。著名的 Bill Joy (SUN公司CEO)說過：”在研究所的時候，我經(jīng)常開玩笑地說高速緩存是計(jì)算機(jī)科學(xué)中唯一重要的思想。事實(shí)上，髙速緩存技術(shù)確實(shí)極大地影響了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。“快表、頁高速緩存以及虛擬內(nèi)存技術(shù)從廣義上講，都是屬于高速緩存技術(shù)。這個技術(shù)所依賴的原理就是局部性原理。局部性原理既適用于程序結(jié)構(gòu)，也適用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(更遠(yuǎn)地講，Dijkstra 著名的關(guān)于“goto語句有害”的論文也是出于對程序局部性原理的深刻認(rèn)識和理解)。

局部性原理表現(xiàn)在以下兩個方面：

· 時間局部性：如果程序中的某條指令一旦執(zhí)行，不久以后該指令可能再次執(zhí)行;如果某數(shù)據(jù)被訪問過，不久以后該數(shù)據(jù)可能再次被訪問。產(chǎn)生時間局部性的典型原因，是由于在程序中存在著大量的循環(huán)操作。

· 空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，在不久之后，其附近的存儲單元也將被訪問，即程序在一段時間內(nèi)所訪問的地址，可能集中在一定的范圍之內(nèi)，這是因?yàn)橹噶钔ǔＪ琼樞虼娣拧㈨樞驁?zhí)行的，數(shù)據(jù)也一般是以向量、數(shù)組、表等形式簇聚存儲的。

時間局部性是通過將近來使用的指令和數(shù)據(jù)保存到高速緩存存儲器中，并使用高速緩存的層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。空間局部性通常是使用較大的高速緩存，并將預(yù)取機(jī)制集成到高速緩存控制邏輯中實(shí)現(xiàn)。虛擬內(nèi)存技術(shù)實(shí)際上就是建立了 “內(nèi)存一外存”的兩級存儲器的結(jié)構(gòu)，利用局部性原理實(shí)現(xiàn)髙速緩存。

由以上分析可知，許多在程序運(yùn)行中不用或暫時不用的程序(數(shù)據(jù))占據(jù)了大量的內(nèi)存空間，而一些需要運(yùn)行的作業(yè)又無法裝入運(yùn)行，顯然浪費(fèi)了寶貴的內(nèi)存資源。

請求分頁管理方式實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存

請求分頁系統(tǒng)建立在基本分頁系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，為了支持虛擬存儲器功能而增加了請求調(diào)頁功能和頁面置換功能。請求分頁是目前最常用的一種實(shí)現(xiàn)虛擬存儲器的方法。

在請求分頁系統(tǒng)中，只要求將當(dāng)前需要的一部分頁面裝入內(nèi)存，便可以啟動作業(yè)運(yùn)行。在作業(yè)執(zhí)行過程中，當(dāng)所要訪問的頁面不在內(nèi)存時，再通過調(diào)頁功能將其調(diào)入，同時還可以通過置換功能將暫時不用的頁面換出到外存上，以便騰出內(nèi)存空間。

為了實(shí)現(xiàn)請求分頁，系統(tǒng)必須提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的內(nèi)存及外存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還需要有頁表機(jī)制、缺頁中斷機(jī)構(gòu)和地址變換機(jī)構(gòu)。

頁表機(jī)制

請求分頁系統(tǒng)的頁表機(jī)制不同于基本分頁系統(tǒng)，請求分頁系統(tǒng)在一個作業(yè)運(yùn)行之前不要求全部一次性調(diào)入內(nèi)存，因此在作業(yè)的運(yùn)行過程中，必然會出現(xiàn)要訪問的頁面不在內(nèi)存的情況，如何發(fā)現(xiàn)和處理這種情況是請求分頁系統(tǒng)必須解決的兩個基本問題。為此，在請求頁表項(xiàng)中增加了四個字段，

增加的四個字段說明如下：

· 狀態(tài)位P：用于指示該頁是否已調(diào)入內(nèi)存，供程序訪問時參考。

· 訪問字段A：用于記錄本頁在一段時間內(nèi)被訪問的次數(shù)，或記錄本頁最近己有多長時間未被訪問，供置換算法換出頁面時參考。

· 修改位M：標(biāo)識該頁在調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過。

· 外存地址：用于指出該頁在外存上的地址，通常是物理塊號，供調(diào)入該頁時參考。

缺頁中斷機(jī)構(gòu)

在請求分頁系統(tǒng)中，每當(dāng)所要訪問的頁面不在內(nèi)存時，便產(chǎn)生一個缺頁中斷，請求操作系統(tǒng)將所缺的頁調(diào)入內(nèi)存。此時應(yīng)將缺頁的進(jìn)程阻塞(調(diào)頁完成喚醒)，如果內(nèi)存中有空閑塊，則分配一個塊，將要調(diào)入的頁裝入該塊，并修改頁表中相應(yīng)頁表項(xiàng)，若此時內(nèi)存中沒有空閑塊，則要淘汰某頁(若被淘汰頁在內(nèi)存期間被修改過，則要將其寫回外存)。

缺頁中斷作為中斷同樣要經(jīng)歷，諸如保護(hù)CPU環(huán)境、分析中斷原因、轉(zhuǎn)入缺頁中斷處理程序、恢復(fù)CPU環(huán)境等幾個步驟。但與一般的中斷相比，它有以下兩個明顯的區(qū)別：

· 在指令執(zhí)行期間產(chǎn)生和處理中斷信號，而非一條指令執(zhí)行完后，屬于內(nèi)部中斷。

· 一條指令在執(zhí)行期間，可能產(chǎn)生多次缺頁中斷。

地址變換機(jī)構(gòu)

請求分頁系統(tǒng)中的地址變換機(jī)構(gòu)，是在分頁系統(tǒng)地址變換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，又增加了某些功能而形成的。

若找到要訪問的頁，便修改頁表項(xiàng)中的訪問位(寫指令則還須重置修改位)，然后利用頁表項(xiàng)中給出的物理塊號和頁內(nèi)地址形成物理地址。

· 若未找到該頁的頁表項(xiàng)，應(yīng)到內(nèi)存中去查找頁表，再對比頁表項(xiàng)中的狀態(tài)位P，看該頁是否已調(diào)入內(nèi)存，未調(diào)入則產(chǎn)生缺頁中斷，請求從外存把該頁調(diào)入內(nèi)存。

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