现代操作系统的虚拟内存实现

因为不管存储器多大，程序都可以将其填满。所以 在现代计算机操作系统中 我们设计了 分层存储器体系
在 分层存储器体系中，存在 MB 的快速、昂贵、易失性的高速缓存，GB的速度价格适中的同样易失的内存 ，以及 TB的低速、廉价、非易失的磁盘存储。

操作系统的工作之一 就是 将层次存储系统体系 抽象成为一个 有用的模型 并管理这个抽象。

探索 内存抽象方案：

无存储器抽象

最简单的存储器抽象 即 没有抽象。 早期的大型机、小型计算机 都没有存储抽象。 每一个程序 都直接访问物理内存。

因此 那时候呈现给编程人员的存储器 即是： 从0到某个上限的地址集合，每个地址 对应一个 可容纳 一定数目（通常是 8位）的二进制数据。

指令 Move Register1， 100 即：将 100的物理内存的内容，复制到 register1中。

该种方案下，系统中同时运行两个程序是不可能的。如果进程 A在 地址 100位置写入数据，进程 2 在稍后的时间中 对地址 100进行了改写，可能导致 进程A的崩溃。

但 无内存抽象模式依然广泛存在于嵌入式系统中。比如 洗衣机、微波炉 此类设备 都已经完全被ROM形式的软件控制。 这种情况下，软件都采用 绝对地址寻址的方式，因为 所有运行的程序 都可以被事先确定， 用户不需要运行自己的软件。

问题： 如何在没有存储器抽象的情况下 同时运行多个程序？
操作系统 只需要 把当前的内存中的内容 保存到磁盘上 ，然后将下一个程序 读入到内存中 再次运行即可。 只要在同一时刻 内存中只有一个程序 即可。

历史中 IBM 360 的做法：

1. 内存被划分为 大小2KB的块。
2. 每个块 分配一个 4位的保护键， 保护键 存储在cpu PSW中的特殊寄存器中。

• 所以： 一个运行中的进程如果访问保护码 与 PSW中的不同的内存，硬件将会捕获该事件。 因为只有系统可以修改保护键，这样就可以 防止 用户进程 之间、用户和操作系统之间的相互干扰。

3. 静态重定位技术： 即便 存在保护键，依然无法解决 两个进程 使用重复的绝对地址的问题，我们希望每个进程使用一套自己私有的内存地址来进行内存访问。
   IBM 360 采用的方法 即：在第二个 程序 装载到内存 100地址时， 常数100将被 加到 程序的每一个 程序地址上。

存储器抽象： 地址空间

直接暴露物理地址的问题： 1） 用户程序可以简单的寻址内存地址，很容易地破坏 操作系统。 2） 同时运行多个程序将非常困难。

要多个应用程序 同时处于内存 而不互相影响 需要解决两个问题： 1）保护 2）重定位

IBM 360的办法 实际效果并不好，因为 其 静态重定位 技术，不仅缓慢，还需要 额外的标记 来确定 哪些地址 需要被加。（比如 相对地址指令并不需要 + 程序的起始位置

动态重定位： (初步简单实现) 给cpu配置两个寄存器： 基址寄存器 、界限寄存器。 使程序装载期间无需重定位。 此方法可以简单实现存储器抽象。

具体做法：

1. 当一个进程运行时 程序的起始地址装载到基址寄存器中，程序的长度 装载到 界限寄存器中。
2. 每次 进程访问内存，取一条指令、读写一个内存地址时:
   读写地址 --> 地址 + 基址寄存器 --> 检查 是否在 界限寄存器范围内 --> 发送到 内存总线
   cpu硬件会将 地址发送到内存总线 之前， 自动把基址寄存器的数值 + 进程发出的地址上。 同时检查结果是否在界限寄存器范围内。 超过了界限则捕获错误。

问题： 上述方法完美的解决了 地址空间抽象 需要的 保护 与 重定位 问题。但是依然存在另外一个 问题，即：程序需要的内存 >> 实际物理内存, 又如何解决呢？
答案是： 交换技术 与 分页 技术

我们先看交换技术：

交换技术：(最简单的策略)

1. 将进程完整的调入内存中，多个进程同时运行。

2. 当前内存不能满足新进程的内存需要时候，将空闲进程 换出到磁盘中， 通过对进程 内存到磁盘 的换入换出 操作，来实现 同时运行多个进程。

   
   
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