操作系统（13）虚拟存储器

前言

操作系统中的虚拟存储器是一项关键技术，它为用户提供了一个远大于实际物理内存容量的逻辑内存空间。

一、定义与原理

虚拟存储器是具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的存储器系统。其逻辑容量由内存容量与外存容量之和决定，运行速度接近内存，但成本接近于外存。虚拟存储器基于局部性原理构建，该原理指出程序在某段时间内主要访问其地址空间的一部分。

二、功能与作用

扩大寻址空间：虚拟存储器为用户提供了一个远大于物理内存的虚拟地址空间，使得用户能够运行比物理内存实际容量更大的程序。
提高开发效率：由于虚拟存储器提供了更大的内存空间，开发者可以更加自由地编写和调试程序，而无需担心内存不足的问题。
资源优化：虚拟存储器通过自动实现部分装入和部分替换功能，优化了内存资源的利用，使得多个大内存需求的进程能够并发运行。
内存保护：每个进程都有自己的虚拟地址空间，防止了进程间的非法内存访问，提高了系统的安全性。

三、分类与管理方式

虚拟存储器主要分为三类：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器。

页式虚拟存储器：将主存空间和程序空间都等分成固定大小的页，通过页表实现虚拟地址到物理地址的映射。优点是页内零头小、地址变换快、调入操作简单；缺点是各页不是程序的独立模块，不便于实现程序和数据的保护。
段式虚拟存储器：按程序的逻辑结构划分地址空间，段的长度是随意的，并且允许伸长。优点是消除了内存零头、易于实现存储保护、便于程序动态装配；缺点是调入操作复杂。
段页式虚拟存储器：结合了段式和页式的优点，将程序按模块分段，每个段再分成与物理空间页同样小的页面。优点是综合了段式和页式的优点；缺点是增加了硬件成本，软件也较复杂。

四、地址空间与变换

在虚拟存储器中，存在三种地址空间：虚拟地址空间（程序员编写程序时使用的地址空间）、主存地址空间（存放运行程序和数据的实际内存地址空间）和辅存地址空间（存放暂时不使用的程序和数据的外存地址空间）。

CPU运行程序访问存储器时给出的地址是虚地址（虚拟地址），首先要进行地址变换。如果要访问的信息在主存中，则根据变换所得的物理地址访问主存；如果要访问的信息不在主存中，则要根据虚地址进行外部地址变换，得到辅存地址，把辅存中相应的数据块送往主存后再访问。

五、页面置换算法

虚拟存储器中常用的页面置换算法包括：

随机算法：随机选择一页进行置换。
先进先出（FIFO）算法：按照页面进入内存的先后顺序进行置换。
最近最少使用（LRU）算法：选择最近最少被使用的页面进行置换。
时钟算法：一种近似LRU的算法，通过环形链表和访问位来实现页面的置换。