41.虚拟存储器以及相关算法

虚拟存储器，又有人叫虚拟内存。很容易大家就会把它当做硬件看待。
所以我们先给虚拟存储器定性。
虚拟存储器是计算机系统内存管理的一种技术，它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。
虚拟存储器并不是硬件，而是一种技术。
那么它的作用是什么呢？上面的话说的很抽象。但是通俗讲就是虚拟出一块内存，简直就是无中生有。我们知道主存的大小不大，而且比较贵。所以有的时候会出现内存不够用的情况，这个时候虚拟内存就起作用了。它把硬盘上划出了一块地方，用障眼法告诉CPU，这是内存，你拿去用吧。
那这个时候我们就很好奇障眼法是怎么实现的呢？它是怎么骗CPU的呢？
这个时候我们先讲讲内存是怎么分配给程序的？
一般有两种分配方式：
1.连续分配 2.非连续分配
1.连续分配管理（会出现碎片）：
①.单一连续分配
划分成系统区和用户区 只能用于单用户单任务。
②.固定分区分配
划分多分固定分区。 单个作业进入单个分区，会出现内部碎片。
③.动态分区分配
作业进入内存时才划分，大小刚好适应，会出现外部碎片
那问题来了，我们第一轮可以直接就分，很简单，但是有作业完成时释放内存后，就不是规则了，该怎么分配呢？于是就有了一下几种算法
a.首次适应算法（从头到尾找，有合适的就动态划分）
b.循环首次适应算法（不是每次都从头开始，而是从上次分配结束的地方开始）
c.最佳适应算法（按从小到大顺序，找到了就用）
d.最坏适应算法（按从大到小顺序，找到了就用）
④.动态重定位分区分配
基本跟动态分区一致，区别就是在动态分区上加了一个紧凑的功能，在运用程序找不到足够大的内存使用的时候，把内存紧凑后给应用使用。
2.非连续分配管理：
①基本分页存储管理方式
进程：页；内存：页框（块）。
逻辑地址：页号+页偏移量
物理地址：内存上真正的地址
页表：逻辑地址和物理地址的映射表

这个时候有一个问题，程序员关注的都是逻辑地址，那么CPU访问一个逻辑地址需要访问多次内存呢？

答案是两次，第一次先访问内存的页表，找出对应的物理地址，再次访问对应的物理地址。我们也知道cpu速度比内存速度快，所以访问内存会降低cpu的利用率，那么怎么减少访问内存的次数呢？

这个时候有一个概念：TLB 旁路翻译缓存或者叫快表

作用是什么呢？TLB是在cpu上的缓存，只存放经常用到的页表。那么我们访问的逻辑地址能够在cpu的TLB上找到对应的物理地址，那么我们只需要访问一次内存就可以了 。那找不到怎么办？
找不到这个时候就是另外的算法了。cpu会访问内存，然后把这个页表放到TLB里。这时候访问内存的次数是2次。

页的大小一般是固定的，是由系统决定的。一般是4K
②基本分段存储管理方式
段：段内是连续的，不同段间不要求连续。
逻辑地址：段号和段内偏移量
跟页不一样的地方是：因为段的大小不一样，页的大小是一样的。
所以 分页的地址空间就相当于一个y=kx+b函数，两个值就会对应一个物理地址。也就是说是一维的（一条直线）。
但是段就没有这么一个K（k不同）,所以找一个地址空间，就相当于在一个平面上找，所以就是二维的。
段表
段可以共享。
③段页式管理方式
页式存储管理能有效地提高内存利用率，而分段存储管理能反映程序的逻辑结构并有利于段的共享。
分页管理方式是从计算机的角度考虑设计的，以提高内存的利用率，提升计算机的性能, 且分页通过硬件机制实现，对用户完全透明；而分段管理方式的提出则是考虑了用户和程序员，以满足方便编程、信息保护和共享、动态增长及动态链接等多方面的需要。

段页式：段里再分页。
逻辑地址：段号 页号和页内偏移量

讲完这么多，我们回来讲讲障眼法把。
这里的障眼法就算配非连续分配管理方式。
CPU要用到某一个内存空间时，看是否是在内存上，如果是在内存里，那么直接用。如果不是，而是在硬盘上，那么这个时候就需要把内存匀出一块，然后把硬盘的数据放进去。然后CPU即能用了。
也许有人会问？那么要是一直都不在内存，那岂不是累死了，一直换。但是我们考虑到局部性原理进行交换，就能减少交换数量。

那把内存的哪部分跟硬盘数据交换呢？这个时候就有相关算法

页面置换算法：
1.FIFO 2.LRU 3.LFU 4.CLOCK置换 5.第二次置换