【操作系统】虚拟内存串讲

概述

• 操作系统为每一个进程分配一个独立的虚拟内存空间，以分页系统为例，每个进程的虚拟页号都是从 0 开始的
  
• 不同的进程可以使用相同的虚拟页号，并且不会互相影响，这在物理内存上是不允许的
• 一般情况下，虚拟页大小和内存块大小相等，并且虚拟页号比物理页号多得多
• 而物理页号是由内存容量、内存块大小决定的，虚拟内存空间并不是真的从物理上扩充了内存，而是借用了外存和分页请求系统，从逻辑上扩充了内存
• 虚拟内存是基于局部性原理的，简单来说就是一个进程可能需要 10GB 的内存，而内存只有 4GB，无法支持进程运行，但是在某个时间段内，可能进程只需要 1GB，因此可以让这个进程直接运行，需要用到的页调入内存，当内存空间不够时，再将某些页面调入外存
• 在这种管理方式下，进程就好像运行在一个有 10GB 内存的计算机上，这就是“虚拟”

虚拟页管理

请求页表

• 虚拟页和物理页不是一一对应的，例如虚拟页号 0 对应的内存块号可能是 666
• 因此需要有虚拟地址到物理地址的转换机制，通过请求页表实现
  
  • 页号：虚拟页号
  • 物理块号：内存的块号
  • 状态位：虚拟页是否在内存中，只有状态位有效，物理块号字段才有效
  • 访问字段：记录虚拟页号在一段时间内的访问次数
  • 修改位：虚拟页在调入内存后，是否有被修改
  • 外存地址：虚拟页的磁盘（外存）块号

物理地址的获取

• 当进程需要访问虚拟地址 A 时，操作系统将 A 中的页号（Virtual Page，VP）、页内偏移量（offset）提取出来
• 查询求页表，找到页号 = VP 的表项
  • 若 VP 对应的 P 有效，那么通过（物理块号+offset）得到物理地址
  • 若 VP 对应的 P 无效，则需要通过外存地址字段，将虚拟页调入内存

虚拟页大小与内存块大小的探讨

• 一般情况下，虚拟页大小和主存块大小是相等的，这样虚拟页的页内偏移量，就是主存块的块内偏移量
• 但这并不是强制规定的，两者大小可以不同（24王道考研408计算机组成原理习题 4.3（大题3，2019））
• 假设虚拟页内偏移量 k 位，虚拟页的页内偏移量和物理地址的低 k 位完全相同
• 虚拟页大小和主存块大小不相等的情况
  
  • 虚拟地址和物理地址都按字节编址，MAR 有 32 位
  • 可以看出，虚拟页的页内偏移量 12 位，而主存块内地址 6 位，显然虚拟页大小 > 主存块大小
  • 那么虚拟地址页号的高 20 位，只能映射内存块号的高 20 位，内存块号剩下的 6 位需要借助虚拟地址中页内偏移量的高 6 位