虚拟内存的需求背景
- 理想中的存储器：容量更大、速度更快、价格更便宜的非易失性存储器
- 实际中的存储器
- 计算机系统时常出现内存空间不够用，解决方案：
- 覆盖（overlay）：应用程序手动把需要的指令和数据保存在内存中
- 交换（swapping）：操作系统自动把暂时不能执行的程序保存到外存中
- 虚拟存储：在有限容量的内存中，以页为单位自动装入更多更大的程序
覆盖技术
- 目标：在较小的可用内存中运行较大的程序
- 方法：
- 依据程序逻辑结构，将程序划分为若干功能相对独立的模块；将不会同时执行的模块共享同一块内存区域
- 必要部分（常用功能）的代码和数据常驻内存
- 可选部分（不常用功能）放在其他程序模块中,只在需要用到时装入内存
- 不存在调用关系的模块可相互覆盖，共用同一块内存区域
- 缺点：
- 增加编程困难
- 增加执行时间
交换技术
- 目标：增加正在运行或需要运行的程序的内存
- 实现方法：可将暂时不能运行的程序放到外存
- 换入换出的基本单位：整个进程的地址空间
- 换出（swap out）：把一个进程的整个地址空间保存到外存
- 换入（swap in）：将外存中某进程的地址空间读入到内存
- 交换面临的问题
- 交换时机
- 交换区带澳
- 程序换入时的重定位：换出后再换入时要放在原处吗？（采用动态地址映射的方法）
- 比较
| 覆盖 | 交换 |
|---|---|
| 只能发生在没有调用关系的模块间 | 以进程为单位 |
| 程序员须给出模块间的逻辑覆盖结构 | 不需要模块间的逻辑覆盖结构 |
| 发生在运行程序的内部模块间 | 发生在内存进程间 |
局部性原理（principle of locality）
- 程序在执行过程中的一个较短时期，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
- 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时期内
- 空间局部性：当前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
- 分支局部性：一条跳转指令的两次执行，很可能跳到相同的内存位置
- 局部性原理的意义
- 从理论上来说，虚拟存储技术是能够实现的，而且可取得满意的效果
虚拟存储的基本概念
- 思路：将不常用的部分内存块暂存到外存
- 原理：
- 装载程序时：只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存
- 指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页或缺段）时：处理器通知操作系统将相应的页面或段调入内存
- 操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存
- 基本特征：
- 不连续
- 物理内存分配非连续
- 虚拟地址空间使用非连续
- 大用户空间：
- 提供给用户的虚拟内存可大于实际的物理内存
- 部分交换
- 虚拟存储只对部分虚拟地址空间进行调入和调出
- 不连续
- 实现方式：
- 虚拟页式存储
- 虚拟段式存储
- 支持技术：
- 硬件：页式或短时存储中的地址转换机制
- 操作系统：管理内存和外存间页面或段的换入和换出
虚拟页式存储
- 思路
- 当用户程序要装载到内存运行时，只装入部分页面，就启动程序运行
- 进程在运行中发现有需要的代码或数据不在内存时，则向系统发出缺页异常请求
- 操作系统在处理缺页异常时，将外存中相应的页面调入内存，使得进程能继续运行
- 虚拟页式存储中的地址转换
- 虚拟页式存储页表项结构：
- 驻留位：表示该页是否在内存
- 修改位：表示在内存中的该页是否被修改过
- 访问位：表示该页面是否被访问过（读或写）
- 保护位：表示该页的允许访问方式
首先，根据10位Dir找到一级页表对应记录（4K/4B = 1024，正好1024条记录，1条记录4个字节32位，故Dir为10位）；然后再由一级页表的PPN找到对应的二级页表（一个PNN对应一张二级页表）；然后Table找到该记录，二级页表的PNN即为物理地址的帧号
缺页异常
缺页异常的处理流程
A. 在内存中有空闲物理页面时，分配一物理页帧f，转第E步；
B. 依据页面置换算法选择将被替换的物理页帧f，对应逻辑页q
C. 如q被修改过，则把它写回外存；
D. 修改q的页表项中驻留位置为0；
E. 将需要访问的页p装入到物理页面f
F. 修改p的页表项驻留位为1,物理页帧号为f；
G. 重新执行产生缺页的指令
- 在何处保存未被映射的页？
- 应能方便地找到在外存中的页面内容
- 交换空间（磁盘或者文件）：采用特殊格式存储未被映射的页面
- 虚拟页式存储中的外存选择：
- 代码段：可执行二进制文件
- 动态加载的共享库程序段：动态调用的库文件
- 其它段：交换空间
- 性能
- 有效存储访问时间（effective memory access time EAT）
- EAT = 访存时间 * (1-p) + 缺页异常处理时间 * 缺页率p
eg：访存时间10 ns，磁盘访问时间5 ms，缺页率p，页修改概率q，则：
EAT = 10(1–p) + 5,000,000p(1+q)