操作系统原理——第五章：虚拟内存

1. 起因

• 增长迅速的存储需求：如游戏
• 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
• 存储器层次结构

• 把常用的数据和代码放在内存，其他放在硬盘
  
• 在计算机系统中，尤其是在多道程序运行的环境中，可能会出现内存不够用的情况，怎么办？
  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

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. 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。
   -> 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)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。
   

3. 不足
   ① 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。
   ② 覆盖模块从外存装入内存，是以时间换空间。

3. 交换技术

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。

2. 方法
   -> 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。
   -> 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. 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

4. 覆盖与交换的比较
   覆盖：
   ① 只能发生在没有调用关系的模块间
   ② 程序员须给出模块间的逻辑覆盖结构
   ③ 发生在运行程序的内部模块间
   交换：
   ① 以进程为单位
   ② 不需要模块间的逻辑覆盖结构
   ③ 发生在内存进程间

4. 虚存技术

4.1 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 程序局部性原理

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：

1. 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
2. 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。

例子：页面大小为4K，分配给每个进程的物理页面数为1。在一个进程中，定义了如下的二维数组int A[1024][1024]，该数组按行存放在内存，每一行放在一个页面中。

解法1共发生了1024×1024次缺页中断，解法2共发生了1024次缺页中断。

4.3 基本概念

1. 思路：将不常用的部分内存块暂存到外存
2. 原理：
   ① 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
   ② 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
   ③ 操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存
3. 实现方式：虚拟页式存储、虚拟段式存储

4.4 基本特征

1. 大用户空间
   ① 物理内存分配非连续
   ② 虚拟地址空间使用非连续
2. 部分交换
   提供给用户的虚拟内存可大于实际的物理内存
3. 不连续性
   虚拟存储只对部分虚拟地址空间进行调入和调出

4.5 虚拟页式内存管理

1. 大部分虚拟储存系统都采用虚拟页式管理技术，在页式储存管理的基础上，增加请求调页和页面置换
2. 基本思路
   ① 一个程序要运行时，只装入部分页面
   ② 运行中发现需要运行的程序或数据不存在，向系统发出缺页中断请求，系统处理中断时，将外存中相应页面调入
   
3. 页表表项
   ① 驻留位：1在内存，0在外存
   ② 保护位：允许的操作，如只读，可读写，可执行
   ③ 修改位：被修改过1，没被修改过0，换入换出时保持硬盘中数据一致，提高效率
   ④ 访问位：最近是否被访问过，是1否0

4. 缺页中断处理过程

5. 后备存储

① 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
② 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

6. 虚拟内存性能
   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
   例子：访存时间: 10 ns，磁盘访问时间: 5 ms，缺页率p，页修改概率q
   EAT = 10(1–p) + 5,000,000p(1+q)