磁盘概述、磁盘缓存、虚拟内存及虚拟内存与内存的交换方式

目录

一、认识磁盘

程序不读入内存就无法运行

二、磁盘缓存

三、虚拟内存

四、虚拟内存与内存的交换方式

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一、认识磁盘

        磁盘和内存都具有存储功能，它们都是存储设备。区别在于，内存是通过 电流 来实现存储；磁盘则是通过 磁记录技术 来实现存储。内存是一种高速，造价昂贵的存储设备；而磁盘则是速度较慢、造价低廉的存储设备；电脑断电后，内存中的数据会丢失，而磁盘中的数据可以长久保留。内存是属于 内部存储设备 ，硬盘是属于 外部存储设备 。一般在计算机中，磁盘和内存是相互配合共同作业的

        一般内存指的是主存（负责存储CPU中运行的程序和数据）；早起的磁盘指的是软磁盘（soft disk，简称软盘），如下图：

 如今常用的磁盘是硬磁盘（hard disk，简称硬盘），如下图：

程序不读入内存就无法运行

        内存的运行机制就是把程序保存在存储设备中，通过使用CPU读入来实现程序指令的执行。这种机制称为 存储程序方式，现在看来这种方式是理所当然，但在以前程序的运行都是通过改变计算机的布线来读写指令的

        计算机注意的存储部件是内存和磁盘。磁盘中存储的程序必须加载到内存中才能运行，在磁盘中保存的程序是无法直接运行的，这是因为负责解析和运行程序内容的CPU是需要通过程序计数器来指定内存地址从而读出程序指令的

程序运行示意图：

二、磁盘缓存

        磁盘往往和内存是互利共生的关系，相互协作，彼此有良好的合作关系。每次内存都需要从磁盘中读取数据，比如会读到相同的内存，所以一定会有一个角色负责存储我们经常需要读到的内容。我们在做软件的时候经常会用到 缓存技术，那么硬件层面也不例外，磁盘也有缓存，磁盘的缓冲叫做 磁盘缓存

        磁盘缓存指的是把从磁盘中读出的数据存储到内存的方式，这样一来，当接下来需要读取相同内容时，就不会再通过实际的磁盘，而是通过磁盘缓存来读取。某一技术或者框架的出现势必要解决某种问题，那么磁盘缓存就大大改善了磁盘访问的速度

使用磁盘存储读取数据：

        Windows操作系统提供了磁盘缓存技术，不过，对于大部分用户来说是感受不到磁盘缓存的，并且随着计算机的演进，对硬盘的访问速度也在不断演进，实际上磁盘缓存到Windows 95/98 就已经不怎么使用了

        把低速设备的数据保存在高速设备中，需要时可以直接将其从高速设备中读出，这种缓存方式在web中应用比较广泛，web浏览器是通过网络来获取远程web服务器的数据并将其显示出来。因此在读取较大图片的时候，会耗费不少时间，这时web浏览器可以把获取的数据保存在磁盘中，然后根据需要显示数据，再次读取的时候就不同重新加载了

三、虚拟内存

        虚拟内存 是内存和磁盘交互的第二个媒介。虚拟内存是指把磁盘的一部分作为 假想内存 来使用。这与磁盘缓存是假想的磁盘（实际上是内存）相对，虚拟内存是假想的内存（实际上是磁盘）

        虚拟内存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 连续可用 的内存（一个完整的地址空间），但是实际上，它通常被分割成多个物理碎片，还有部分存储在外部磁盘管理器上，必要时进行数据交换。

        计算机中的程序都要通过内存来运行，如果程序占用内存很大，就会将内存空间消耗殆尽。为了解决这个问题，WINDOWS操作系统运用了虚拟内存技术，通过拿出一部分硬盘来当作内存使用，来保证程序耗尽内存仍然有可以存储的空间。虚拟内存在硬盘上的存在形式就是 PAGEFILE. SYS 这个页面文件。

        通过借助虚拟内存，在内存不足时仍然可以运行程序。例如，在只剩5MB 内存空间的情况下仍然可以运行10MB的程序。由于CPU只能执行加载到内存中的程序，因此，虚拟内存的空间就需要和内存中的空间进行 置换（swap)，然后运行程序。

四、虚拟内存与内存的交换方式

        刚才我们提到虚拟内存需要和内存中的部分内容做置换才可让CPU继续执行程序，那么做置换的方式是怎样的呢？又分为哪几种方式呢？

        虚拟内存的方法有 分页式 和 分段式 两种。Windows采用的是分页式。该方式是指在不考虑程序构造的情况下，把运行的程序按照一定大小的页进行分割，并以 页 为单位进行置换。在分页式中，我们把磁盘的内容读到内存中称为 Page In，把内存的内容写入磁盘称为 Page Out 。Windows 计算机的页大小为4KB，也就是说，需要把应用程序按照 4KB 的页来进行切分，以页（page)为单位放到磁盘中，然后进行置换。

程序中Page In 和 Page Out：

        为了实现内存功能，Windows在磁盘上提供了虚拟内存使用的文件（Page file ，页文件）。该文件由Windows 生成和管理，文件的大小和虚拟内存大小相同，通常大小是内存的1 - 2 倍