可以看到在操作系统管理下的kernel，我们可以跑很多的程序，这些程序会占用内存空间。这些程序光是靠主存（物理内存）是不够的的。我们通过硬盘。把操作系统的一些管理数据放到硬盘中去，也别是一些不常用的数据，把常用的数据放到内存中，有限的内存可以放一些经常使用的代码和数据，通过这种方式可以实现虚拟大内存的技术。

5.4内存不够常用技术

如果是程序太大，超过了内存的容量，可以采用手动的覆盖技术。只把需要的指令和数据保存在内存中
如果是程序太多，超过了内存的容量，可以采用自动的交换技术，把暂时不能执行的程序送到外存中
如果想要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。把程序内的一部分数据或者代码导入导出内存，基于分页、分段的硬件支持的方式，加上操作系统的管理就可以实现虚拟内存技术。

5.5覆盖技术

产生于上世纪80-90年代初的时候，特别是Dos程序，硬件是640K的内存，软件一般是几十K，大一点的是几M，需要虚拟出更大的空间让软件能够运行。

5.5.1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。

5.5.2原理

把程序按照其自身逻辑结构，划分为若干个功能上相互独立的程序模块，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）在其他程序模块中实现，平时存放在外存中，在需要用到时才装入内存
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

举例说明

有一个程序，有ABCDEF这六个函数组成，每个函数占用的程序空间不同，其中A函数会调用BC，B函数会调用D，C函数会调用EF。

其中A是常驻分区，他会调用其他的函数，BC函数因为不会相互调用所以分在同一个分区，DEF也会分到同一个分区。A调用到B之后，B就会记载到内存是50K，然后运行完B之后，就会把B数据拷贝到硬盘中，继续执行C，可以用覆盖区来存C，只占了30K，当A的代码和数据调到内存中后就可以调用C。

除了上述的覆盖方式，还存在其他的方式，需要的内存空间大小100K

这里的A占用一个分区20K

BEF公用一个分区50K

C和D公用一个分区30K

5.5.3覆盖技术缺点

有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。
覆盖模块从外存装到内存，实际上是以时间延长来换取空间节省。

5.6交换技术

覆盖技术其实对程序和编程语音的要求比较高，增加了程序员开发的负担，随着硬件的发展和操作系统的增强，通过操作系统管理而不是程序员去管理。操作系统可以管理当前放哪个程序在内存中运行，对于暂时不能运行的程序可以导到硬盘中去。

5.6.1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。

5.6.2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）。换入换出内容的大小为整个程序的地址空间。

5.6.3交换技术实现问题

Q:交换时机的确定：何时需要发生交换？

A:只当内存空间不够或有不够的危险时换出

Q:交换区的大小确认

A: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。

Q:程序换入时的重定位实现，换出后在换入的内存位置一定要在原来的位置上吗

A:最好采用动态地址映射的方法，可能换出去的空间已经被占用。建立一个页表，虚地址一样，物理地址不一样，页表建立完成之后还是可以正常映射。修改页表的映射关系，重新映射物理地址。

5.6.4覆盖与交换比较

覆盖只能发生在那些相互之间没有调用关系的程序模块之间，因此程序员必须给出程序内的各个模块之间的逻辑覆盖结构。

交换技术是以在内存中的程序大小为单位来进行的，他不需要程序员给出各个模块之间的逻辑覆盖结构。换言之，交换发生在内存中程序与管理程序或操作系统之间，而覆盖则发生在运行程序的内部。

5.7 虚存技术

5.7.1目标

在内存不够用的情况下，可以采用覆盖技术和交换技术，但是覆盖技术和交换技术还存在一些缺点。技术上还达不到很方便、很高效的特点。解决方式是：虚拟内存管理技术（虚存技术）

覆盖技术

需要程序员自己把整个程序划分为若干个小的功能模块，并确认各个模块之间的覆盖关系，增加了程序员的负担
交换技术

以进程作为交换的单位，需要把进程的整个地址空间都换进换出，增加了处理器的开销。

1）像覆盖技术那样，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，由操作系统自动来完成，无需程序员干涉。

2）像交换技术那样，能够实现进程在内存与外存之间的交换，因而获得更多的空闲内存空间。但做得更好，只对进程的部分内容在内存和外存之间进行交换。

如下图5-7-1所示，有四个程序。以P3为例，在内存中只需要两个内存页的数据，其他数据都是导入到硬盘里面。当前P3运行时，只会用到这两个页的数据，不会用到其他数据。虽然这个P3程序，整体运行需要很大内存，但是在某个有限段内的时间只需要一小段的内存。这种方式可以通过操作系统和MMU就可以做到。

图5-7-1 虚存技术举例说明图

5.7.2虚拟技术–程序的局部性原理

程序的局部性原理，指程序在执行过程中的一个较短时期，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。表现下面两个方面。

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时期内
空间局部性

当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小的区域内

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是能够取得一个满意的效果的。

虚存技术–程序的局部性影响

解题思路如下所示

从a[0][0]到a[0][1023]已经占了一个页（int是四个字节）。

按照第一种方式，访问顺序是a[0][0]、a[1][0]到a[1023][0]，由于a[0][0]、a[1][0]在位置上差了4K的距离，访问到第二个的时候使得操作系统上不得不另一个4K数据块从硬盘导到内存中来可以访问，这个过程每一个访问下一个数据会发生一次的缺页中断，所以总共发生了1024*1024个缺页中断。

第二种方式，访问顺序是a[0][0]、a[0][1]到a[0][1023]，其中a[0][0]、a[0][1]有很好的空间局部性，在一个循环中只会发生一次的缺页中断，所以总共发生1024次缺页中断。

5.7.3虚存技术的基本特征

大的用户空间

通过把物理内存和外存相结合，提供给用户的虚拟内存空间通常大于实际的物理内存，即实现了这两者的分离。如32位的虚拟地址理论上可以访问4GB，而可能计算机上仅有256M的物理内存，但硬盘容量大于4GB。
部分交换

与交换技术相比较，虚拟存储的调入和调出是对部分虚拟地址空间进行的
不连续性

物理内存分配的不连续，虚拟地址空间使用的不连续

5.7.4虚存技术–虚拟页式内存管理

以页为单位，页式内存管理做一个基础，阐述虚存技术的实现。

如下图5-7-2所示。左侧是逻辑地址空间，右侧是物理地址空间，左侧右侧以页为映射关系，依靠页表来维护映射关系。页表项的索引是页号，对应的内容是页帧号。页表中，除了页帧号之外，还有几个bit，其中有一个bit为代表存在或者不存在页帧号的标记，如果逻辑地址找不到对应映射的物理地址，会产生访问异常。

图5-7-2 页式内存管理图

大部分虚拟存储系统都采用虚拟页式存储管理技术，即在页式存储管理的基础上，增加请求调页（需要这个页才把页调到这个内存中来）和页面置换（随着程序执行访问内存越来越多，某些不需要的页换出去，需要的页换进来）功能。

5.7.4.1基本思路

当一个用户程序要调入内存运行时，不是将该程序的所有页面都装入内存，而是只装入部分的页面，就可启动程序运行。
在运行的过程中，如果发现要运行的程序或要访问的数据不在内存，则向系统发出缺页中断请求，系统在处理这个中断时，将外存中对应的页面调入内存，使得该程序能够继续运行。

5.7.4.2页表表项

为了实现请求调页和页面置换，我们需要在页表表项增加一些bit位，用于丰富这些功能。

驻留位

之前就已经提到过，表示该页是在内存还是在外存。如果改为等于1，表示该页位于内存当中，即该页表项是有效的，可以使用；如果该位等于0，表示该页当前还在外存中，如果访问该页表项，将导致缺页中断
保护位

表示允许对该页做任何类型的访问，如只读、只写、可读写、可执行等
修改位

表明此页在内存中是否被修改过（写过）。当系统回收该物理页面时，根据此位来决定是否把它的内容写回外存
访问位

如果该页面被访问过（包括读操作或者写操作），则设置此位用于页面置换算法

如下图5-7-3所示，左边是虚存页表的映射关系，大小为64K，每一个页表项代表一个4K的物理页，这里的X代表驻留位为0，如果是具体的数驻留位则为1。

如果把虚拟的0地址赋给一个寄存器（MOV REG, 0 8192），找到0地址在页表中的位置，可以看到最底下那项显示为2，可以知道驻留位为1，且页帧号为2。页帧号乘以一个页大小4K，实际访问的物理地址是8K。

如果把32780的虚拟地址读到寄存器里面去（MOV REG, 32780），对应页表项为第8项，发现驻留位的为0，没有对应的页帧号，也意味着访问这一页会造成缺页异常。

图5-7-3 虚拟页存管理举例说明图

5.7.4.3缺页中断

缺页中断处理过程

如果在内存中有空闲的物理页面，则分配一物理页帧f，然后转第4步，否则转第2步
采用某种页面置换算法，选择一个将被替换的物理页帧f，它所对应的逻辑页为q。如果该页在内存期间被修改过，则需把它会写外存。
对q所对应的页表项进行修改，把驻留位位置置为0
将需要访问的页p装入到物理页面f当中
修改p所对应的页表项的内容，把驻留位置为1，把物理页帧号置为f
重新运行被中断的指令

5.7.5后备存储

大量内存中的数据是放在外存中的，需要的时候才需要读进来，需要注意硬盘存储的特征，这里有好几种特殊的存储形式，来放置内存中所对应的数据和代码。为了保存未被映射的页，需要能够简单地识别在二级存储器中的页。

后备存储（二级存储）

交换空间（磁盘或者文件）：特殊格式，用于存储未被映射的页面

一个虚拟地址空间的页面可以被映射到一个文件（在二级存储中）中的某个位置。类似访问一个数组，它是一个数据文件放置在硬盘上。当访问到一个地方，内存中找不到需要从数据文件中读出来

代码段：映射到可执行二进制文件

动态加载的共享库程序段：映射到动态调用的库文件。库也是放到相应的硬盘里面，需要的时候才会把库的代码数据读到内存中来

其他段：可能被映射到交换文件（swap file）。不同上面的文件形式存在，这里以分区的形式存在。程序在运行过程中，有可能产生很多数据，这些数据没有对应到上述的文件，它是一种动态产生的数据，可能这些数据会占用很大的空间，需要被换出到硬盘中去。操作系统会在硬盘中开辟一个区域，swap file，没有文件直接对应的内存的内容

5.7.6虚拟内存性能

有效存储器访问时间的计算

EAT = 10(1-p) + 5000000p(1+q),p为缺页的概率，q为页写操作的概率

其中10(1-q)为不缺页的概率的时间，5000000p缺页读操作（换进来），5000000pq缺页过程的时候需要写入操作（换出去）

操作系统学习笔记 5虚拟内存

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