虚拟存储器的基本概念
虚拟存储器的基本原理
虚拟存储器的基本原理虚拟存储器是一种计算机系统的组成部分，它扩展了计算机的主存储器，使得计算机可以同时执行更多的程序，提高了计算机的性能和效率。
虚拟存储器的基本原理包括内存管理、地址转换、页面置换和磁盘交换等。
首先，虚拟存储器的内存管理是通过将主存划分成固定大小的块，称为页（Page），与此同时，将磁盘划分成与页大小相等的块，称为页框（Page Frame）。
当一个程序被加载到内存时，将会依次将程序的页放入内存的页框中。
这种将程序划分为页的方式称为分页管理。
虚拟存储器的核心概念是虚拟地址和物理地址的转换。
每个进程都有自己的虚拟地址空间，虚拟地址是由进程所见到的地址，而不是物理内存的地址。
虚拟地址由两部分组成，即页号和页内偏移。
页号表示进程中的某个页面，页内偏移表示页面中的具体位置。
虚拟地址被通过一种页表机制转换为物理地址。
页面置换是虚拟存储器中重要的一环。
由于程序的页可能无法一次加载到内存中，因此当一个程序在执行过程中需要访问一个尚未调入内存的页面时，就会发生缺页中断（Page Fault）。
操作系统会根据缺页中断处理程序来选择进行页面置换。
常用的页面置换算法有最佳置换算法（OPT）、先进先出置换算法（FIFO）、最近最久未使用置换算法（LRU）等。
磁盘交换是虚拟存储器中的重要机制。
当物理内存不足以容纳所有的进程或者进程所需的数据时，操作系统会将一部分进程或者数据从内存交换到磁盘上，以释放物理内存空间给其他进程使用。
这种将页面从内存交换到磁盘的过程称为页面换出（Page Out），相反的过程称为页面换入（Page In）。
通过磁盘交换，计算机可以在有限的物理内存下运行更多的任务。
虚拟存储器的使用带来了诸多优势。
首先，它能够扩展主存的容量，使得计算机可以执行更多的程序。
其次，虚拟存储器可以提高内存的利用率，避免内存浪费。
同时，它允许多个进程共享同一份代码，减少内存占用。
另外，虚拟存储器还可以实现对进程的保护和隔离，使得不同的进程在执行过程中不会相互干扰。
虚拟存储的名词解释
虚拟存储的名词解释虚拟存储是计算机科学领域中的一个重要概念，它是指通过逻辑上的存储空间组织与管理物理上的主存和辅助存储设备，以实现多道程序设计和更高效的内存利用。
虚拟存储的出现与计算机硬件性能与软件需求之间的矛盾密切相关，它使得计算机能够在有限的内存资源下，处理更多的程序和数据。
虚拟存储的核心思想是将虚拟地址空间和物理地址空间进行映射，通过页表机制实现。
操作系统会将程序需要访问的虚拟地址空间划分成大小相等的页面，同时将主存划分成和虚拟地址空间同样大小的物理页面，并通过页表记录这两者之间的映射关系。
当程序运行时，只有当前需要的页面会被加载到主存中，其他页面则存储在磁盘等辅助存储设备中，从而充分利用计算机的内存资源。
虚拟存储的引入带来了许多好处。
首先，它允许程序的地址空间超出物理内存的大小。
在之前的计算机系统中，主存的大小限制了程序的规模，而虚拟存储的应用使得程序能够在更大的地址空间中运行。
其次，虚拟存储对于多道程序设计非常重要。
多道程序设计允许多个程序同时运行，而虚拟存储通过将程序的页面划分成更小的单位，使得每个程序可以在内存中运行的页面数量更多，从而提高了多道程序设计的效率。
最后，虚拟存储的引入也加强了对内存的保护和安全性，每个程序只能访问自己的虚拟地址空间，不会干扰其他程序的运行。
虚拟存储的实现离不开硬件和软件的协同工作。
在硬件方面，计算机需要支持分页机制和内存管理单元（MMU）等功能，从而实现虚拟地址空间和物理地址空间的映射。
而在软件方面，操作系统需要提供相应的内存管理策略和算法，例如页面置换算法，用于在主存空间不足时决定将哪些页面置换出去。
在虚拟存储中，常用的页面置换算法有最佳置换算法、先进先出（FIFO）算法、最近最久未使用（LRU）算法等。
最佳置换算法是一种理论上最优的算法，它会选择未来不会再被使用的页面进行置换，但由于未来的行为很难预测，该算法难以实现。
FIFO算法会按照页面进入主存的顺序进行置换，但它没有考虑各个页面的使用频率，可能导致常用的页面被置换出去。
虚拟存储器的基本构成
虚拟存储器的基本构成虚拟存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，它扩展了计算机的存储容量，提高了系统的性能和可用性。
虚拟存储器由主存储器和辅助存储器两部分组成，通过一系列的管理机制，使得程序能够以透明的方式访问较大容量的存储空间。
1. 主存储器主存储器是虚拟存储器的核心组成部分，也是计算机系统中最快的存储器。
它通常由DRAM（动态随机存取存储器）构成，用于存储当前正在执行的程序和数据。
主存储器通过地址总线和数据总线与CPU直接连接，可以快速地读写数据。
虚拟存储器通过将主存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面（page）来管理主存储器的使用。
2. 辅助存储器辅助存储器是虚拟存储器的扩展部分，它通常由硬盘、固态硬盘（SSD）等设备构成。
辅助存储器的容量远大于主存储器，用于存储不常用的程序和数据。
辅助存储器的读写速度较慢，但它具有持久性，数据不会因为断电而丢失。
虚拟存储器通过将辅助存储器的地址空间划分为若干固定大小的页面来管理辅助存储器的使用。
3. 页面表页面表是虚拟存储器管理的关键数据结构，用于记录主存储器和辅助存储器之间的映射关系。
每个页面表由多个页表项组成，每个页表项记录了一个页面在主存储器和辅助存储器中的对应位置。
当程序访问一个虚拟地址时，操作系统会通过页面表查找对应的物理地址，并将数据从主存储器或辅助存储器中读取出来。
4. 页面置换算法由于主存储器的容量有限，当主存储器中的页面不足以存放所有正在运行的程序和数据时，就需要使用页面置换算法将部分页面从主存储器中换出到辅助存储器中。
常用的页面置换算法有最佳（OPT）、先进先出（FIFO）、最近未使用（LRU）等。
这些算法根据页面的访问模式和重要性来决定换出哪些页面，以保证系统的性能和可用性。
5. 页面调度算法页面调度算法用于确定哪些页面应该被加载到主存储器中。
常用的页面调度算法有最低频率优先（LFU）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）等。
《计算机操作系统》虚拟存储管理
7.2 请求分页存储管理
7.2.1 工作原理 7.2.2 驻留集管理 7.2.3 调页策略 7.2.4 页面置换算法
7.2.1工作原理
♦ 若内存中没有可用的物理块，则还需根据页面置 换算法淘汰一些页，若淘汰的页曾做过改动，还 需将此页重写回外存，最后将缺页调入内存指定 的物理块。
开始
根据页表记录的外 存始址找到缺页
内存有可用 Y 物理块吗?
N 由页面置换算法选
择一页换出 Y
N 该页被改动 过吗？ Y
将该页写回外存
启动磁盘I/O，从外 存读入缺页
►显然，一方面，内存中存在一些不用或暂时不用的程序占据了大量的内存 空间；另一方面，一些需要运行的程序因没有足够的内存空间而无法装入 内存运行。
►人们不禁考虑，“一次性”和“驻留性”在程序运行时是否是必要的？
7.1.1 引入背景
2.局部性原理
►程序在执行时，在一段时间内，CPU总是集中地访问程序中的某一个部分 而不是随机地对程序所有部分具有平均访问概率，这种现象称为局部性原 理。局部性表现在下述两个方面：
7.2.3 调页策略
►调页策略用于确定何时将进程所需的页调入内存。常用的调页策略有： ♦ 预调页策略 ● 系统预测进程接下来要访问的页，将一个或多个页提前调入内存。 ● 常用的预测原理是局部性原理，即每次调页时，将相邻的若干个页 一并调入内存。 ♦ 请求调页策略 ● 发生缺页时，再将其调入内存的方法。 ● 实现简单，增加磁盘I/O开销。
♦ 状态位：用于表示该页是否已调入内存。若没有调入内存，则产生一个 缺页中断。
操作系统第5章存储管理3虚拟存储
举例：某进程依次访问如下地址：
0100，0432，0101，0612，0102，0103， 0104，0101，0611，0102，0103，0104， 0101，0610，0102，0103，0104，0101， 0609，0102，0105。若页面大小为100， 上述访问串可简化为： 1，4，1，6，1，6，1，6，1，6，1
4 0 3
2 3 4 2 0 4
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否
7 0 1 2 3 0 4
结果：缺页次数共10次。
次序
页 面 分 配 情 况 是否 缺页 换出 的页
7
0
1 1
2 2
0
3 3
0 0
4 4
2 2
3 3
0 0
3
2
0
7 7
0
7
1
0
2
1
3
2
0
3
4
0
2
4
3
2
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是 是 否 否 7 0 1 2 3 0 4
4 0 3
是 是 是 是 否 是 是 是 是
7 0 1 2
次序
7
0
1
2
0
3
0
4
2
3
0
3
2
页 面 分 配 情 况
是否 缺页 换出 的页
1 2 0 7 7 0 1 7 0
3 0 2 3 1 2
4 0 3
2 4 0
是 是 是 是 否 是 是 是 是 是
7 0 1 2 3
次序
7
0
1
2
0
3
0
第12讲 虚拟存储器
(3) 近期最少使用算法 (LFU) 既充分利用了历史信息，又反映了程序的局 部性，但需要很长的计数器和时钟，实现起 来困难。 (4) 最优替换算法 (OPT) 是一种理想化的算法。用来作为评价其它页 面替换算法好坏的标准。
例1： 一个程序共有5个页面组成，程序执行过程中 的页地址流如下： P1, P2, P1, P5, P4, P1, P3, P4, P2, P4 假设分配给这个程序的主存储器共有3个页面。 给出FIFO、LRU、OPT 三种页面替换算法对 这3页主存的使用情况，包括调入、替换和命 中等。
主存页号 主存地址空间 虚存页号 程序地址空间 0 1 2 0 1
2
7
基号 用户号 0 页基址表 ... 4 N-1 页表长度 页表基址
虚页号 实页号
页内地址 页内地址
虚地址 实地址
页表 2 1 6 1 7 1 0 主存页号 装入位 访问方式
例2：一个虚拟存储器有8个页面，页面大小为 1024字，内存有4个页面框架。页表的内容为 虚页号 实页号 解： 0 3 4098÷1024 = 4......2， 1 1 所以虚页号为4，页内地址 2 为2。从表中查得实页号为 3 2，实际地址为 4 2 2×1024 + 2 = 2050 5 6 0 7 对应于虚拟地址4098的主存地址是什么？
段表
2 段(5K)
1段2页 1 段页表 2段0页 2段1页
用户程序
2 段页表
主存储器
段页式虚拟存储器的地址映象
地址变换方法：
多用户系统中，需要三层表，记录相关信息， 包括段表基址表、段表、页表。 (1) 先查段表，得到该程序段的页表起始地 址和页表长度， (2) 再查页表找到要访问的主存实页号， (3) 最后把实页号p与页内偏移d拼接得到主 存的实地址
2016年计算机操作系统名词解释简答计算
计算机操作系统2016复习资料1.操作系统的基本特征P5采用多道程序设计技术的现代操作系统都具有如下的基本特征。
1）并发性（名词解释）并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道处理程序额环境下，并发性是指一段时间内，宏观上有多个程序在同时进行。
2）共享性（名词解释）共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发程序执行的进程同时使用。
根据资源性质的不同可将资源共享分为以下两种。
1）互斥共享。
系统中可供共享的某些资源，如打印机，变量，队列等，一段时间内只能给一个进程使用，只有当这个进程使用完毕并且释放资源后，其他进程才能使用它们。
2）同时访问。
系统中的另一类资源，如磁盘，可写入代码等，它们在同一段时间内可以被多个进程同时访问。
虽然这种同时是指宏观上的同时，微观上可能时进程交替地访问该资源，但进程交替访问资源的顺序不会影响访问的结果。
3）虚拟性（名词解释）虚拟性是指通过某种技术，将一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。
4）异步性（名词解释）异步性是指在多道程序的环境下，每个程序何时执行、何时暂停都是未知的，即它们以不可预知的速度向前推进。
但同时操作系统应保证程序的执行结果是可再现的，即只要运行环境相同，一个作业的多次运行会得到相同的结果。
2、什么是多道程序设计？在OS中引入该技术，带来了哪些好处？P10答：多道程序技术是指在内存中同时存放若干个作业，并使他们共享系统的资源且同时运行的技术。
好处：（1）提高CPU的利用率（2）可提高内存和I/O 设备的利用率（3）增加系统的吞吐量3、试从交互性、及时性以及可靠性三个方面，比较分时系统和实时系统P11答：1）交互性：交互性问题时分时系统的关键问题。
在分时系统中，用户可以通过终端与系统进行广泛的人机交互，如文件编辑、数据处理和资源共享。
实时系统也具有交互性，但在实时系统中交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，也就是说它的交互性具有很大的局限性。
虚拟存储器实验报告
虚拟存储器实验报告一、实验目的本次虚拟存储器实验的目的在于深入理解虚拟存储器的工作原理，掌握其基本概念和关键技术，通过实际操作和观察，分析虚拟存储器对系统性能的影响，并能够运用所学知识解决在实验过程中遇到的问题。
二、实验环境本次实验使用的操作系统为 Windows 10，开发工具为 Visual Studio 2019，编程语言为 C+＋。
实验所使用的计算机配置为：Intel Core i7 处理器，16GB 内存，512GB 固态硬盘。
三、实验原理虚拟存储器是一种利用硬盘等辅助存储器来扩充主存容量的技术。
它将程序的逻辑地址空间与物理地址空间分开，使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。
当程序访问的地址不在物理内存中时，系统会通过页面置换算法将暂时不用的页面换出到硬盘，将需要的页面换入到物理内存中。
虚拟存储器的实现主要依赖于页式存储管理和地址转换机制。
页式存储管理将逻辑地址空间划分为固定大小的页面，物理地址空间也划分为相同大小的页框。
地址转换通过页表来完成，页表记录了逻辑页面与物理页框的对应关系。
四、实验内容1、页面置换算法的实现首先实现了先进先出（FIFO）页面置换算法。
创建一个固定大小的物理内存页框数组，模拟物理内存。
当需要装入新页面时，如果物理内存已满，按照先进入的页面先被置换的原则选择置换页面。
接着实现了最近最少使用（LRU）页面置换算法。
为每个页面设置一个访问时间戳，当需要置换页面时，选择访问时间最久远的页面进行置换。
2、虚拟地址到物理地址的转换设计了一个简单的页表结构，包括逻辑页号、物理页框号和有效位等字段。
输入一个虚拟地址，通过查找页表将其转换为物理地址。
如果页面不在物理内存中，触发页面置换算法进行页面调入。
3、性能分析对不同大小的程序和不同的页面置换算法，测量其页面缺失率和执行时间。
分析页面大小、物理内存大小等因素对虚拟存储器性能的影响。
五、实验步骤1、初始化实验环境设定物理内存大小、页面大小等参数。
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虚拟存储器是为扩大主存而采用 的一种设计技巧，它的容量与主存大 小无直接关系，而受限于计算机的地 址结构及可用的辅助存储器的容量。
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4. 虚拟存储器的容量
• 1一个虚拟存储器的最大容量是由计算机 的 地 址 结 构 确 定 的 。 如 ： 若 CPU 的 有 效 地址长度为32位，则程序可以寻址范围 是0～(2^32)-1 ，即虚存容量为 4GB。
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第三，很少出现连续的过程调用，相反， 程序中过程调用的深度限制在小范围 内，一段时间内，指令引用被局限在 很少几个过程中。
第四，对于连续访问数组之类的数据结 构，往往是对存储区域中相邻位置的 数据的操作。
第五，程序中有些部分是彼此互斥的， 不是每次运行时都用到的，如出错处 理程序。
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3.虚拟存储器的定义： 在具有层次结构存储器的计算机系统中， 具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑 上对内存容量进行扩充的存储器系统， 为用户提供一个比物理主存容量大得多 的，可寻址的一种“主存储器”。
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5. 局部性原理
• 程序局部性原理 在一段时间内一个程序的执行往往呈现出 高度的局部性，表现在时间与空间两方面
• 时间局部性： 一条指令被执行了，则在不久的将来它可 能再被执行
• 空间局部性： 若某一存储单元被使用，则在一定时间
内，与该存储单元相邻的单元可能被使用
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第一，程序中只有少量分支和过程调用， 大都是顺序执行的指令。 第二，程序包含若干循环，是由相对 较少的指令组成，在循环过程中，计 算被限制在程序中很小的相邻部分中。
• 2虚拟存储器的容量与主存的实际大小没 有直接的关系，而是由主存与辅存的容量 之和所确定。
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虚拟存储管理主要采用以下技 术实现：
•分页请求虚拟存储管理 •分段请求虚拟存储管理 •段页式请求虚拟存储管理
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一. 请求式分页存储管理
请求式分页也称虚拟页式存储管理 与纯分页存储管理不同，请求式分
页管理系统在进程开始运行之前，不是 装入全部页面，而是装入一个或零个页 面，之后根据进程运行的需要，动态装 入其它页面；当内存空间已满，而又需 要装入新的页面时，则根据某种算法淘 汰某个页面，以便装入新的页面
页号、驻留位、内存块号、外存地址、访问位、 修改位、（存取控制、辅存地址）
• 状态位：表示该页是在内存还是在外存 • 访问位：表示该页最近被访问过，根据访问
位来决定淘汰哪页 • 修改位：查看此页是否在内存中被修改过
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3.地址变换与缺页中断
查页表时，当存在位指示该页不在 主存时，则引起一个缺页中断发生，相应 的中断处理程序把控制转向缺页中断子程 序。执行此子程序，即把所缺页面装入主 存。然后处理机重新执行缺页时打断的指 令。这时，就将顺利形成物理地址。
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1.需要解决的问题
系统需要解决下面三个问题： • 系统如何获知进程当前所需页面不在主存。 • 当发现缺页时，如何把所缺页面调入主存。 • 当主存中没有空闲的页框时，为了要接受
一个新页，需要把老的一页淘汰出去，根 据什么策略选择欲淘汰的页面。
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2. 页描述子的扩充
页号 状态位 内存块号 外存地址 访问位 修改位
• 如果页面替换算法的作用范围局限于本进程， 称为局部页面替换算法,它实际上需要为每个 进程分配固定的页框。
• 置换范围 –全局 与 局部
三种组合：固定 + 局部 可变 + 全局 可变 + 局部
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固定分配和局部替换策略配ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ使用
•进程分得的页框数不变，发生缺页中 断，只能从进程的页面中选页替换，保 证进程的页框总数不变。 •策略难点：应给每个进程分配多少页 框?给少了,缺页中断率高;给多了,使内 存中能同时执行的进程数减少，进而造 成处理器和其它设备空闲。
2
2. 虚拟存储器
• 具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑 上对内存容量进行扩充的存储器系统。虚 拟存储器就是一个地址空间，且具有比实 存大得多的容量。
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虚拟存储器（续）
• 对用户：指令地址部分所限定的比 实存大得多的地址实间。
• 对系统：借助于各种表格机构，体 现虚拟实间。
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3. 虚拟存储
1.常规存储器的基本思路: • 1)一次性 • 2)驻留性 2.虚拟存储器的特征 • 1)虚拟性 • 2)对换性 • 3)多次性
• 系统为进程分配主存,需考虑因素: ①最小物理块数的确定 ②物理块的分配策略 ③物理块的分配算法
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• 分配给一个进程多少页面？ –固定数目分配 与 可变数目分配
–进程保持页框数固定不变,称固定 分配;进程分得的页框数可变, 称 可变分配;
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页面替换策略：局部替换和全局替换
• 如果页面替换算法的作用范围是整个系统， 称全局页面替换算法,它可以在运行进程间动 态地分配页框。
以CPU时间和外存空间换取昂贵内存空间， 这是操作系统中的资源转换技术
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• 作业信息不全部装入主存，能否保证作业 的正确运行？
• 回答是肯定的,1968年P.Denning研究了程 序执行时的局部性原理。
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2.程序的局部性原理： 指程序在执行过程中的一个较短时间内， 所执行的指令地址或操作数地址分别局 限于一定的存储区域中。又可细分时间 局部性和空间局部性。
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请求分页虚存地址转换过程(2)
逻辑地址
无登记
有登记
查快表
在辅存
在主存 查页表
形成绝对地址
发缺页中断
登记入快表
继续执行指令 硬件
保护现场 无
主存有空闲块
有
装入所需页面
调整页表和 主存分配表
恢复现场
重新执行 被中断指令
操作系统
未修改
选择调出页面 该页是否修改
已修改
把该页写回 辅存相应位置
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4.6.2页面分配策略和分配算法
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请求分页虚存地址转换过程(1)
逻辑空间地址
CPU
逻辑地址 进程切换时装入
MMU
页号 页内地址
快表
①分解 地址
②查快表
④查页表 运行进程页表基址
⑥装入快表
③命中
物理地址
主存(用户区)
运行进 程映象
辅存
主存(系统 区)运行进 程页表
④不命中
⑤页表命中
页框 页内地址
③ ⑤
访 问
⑨装入 、改表
⑧调页
⑦发缺页中断 缺页中断处理
4.5 虚拟存储器的基本概念
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1. 概 述
问题的提出 : ➢ 程序大于内存 ➢ 程序暂时不执行或运行完是否还要占用内存
虚拟存储器的基本思想是：程序、数据、 堆栈的大小可以超过内存的大小，操作系统 把程序当前使用的部分保留在内存，而把其 它部分保存在磁盘上，并在需要时在内存和 磁盘之间动态交换
虚拟存储器支持多道程序设计技术