操作系统原理虚拟存储管理技术
计算机操作系统中的内存管理和虚拟化技术
计算机操作系统中的内存管理和虚拟化技术计算机操作系统是现代计算机体系结构中不可分割的组成部分。
内存管理和虚拟化技术是计算机操作系统的重要功能之一，它们在保证计算机系统性能和安全性方面发挥着重要作用。
一、内存管理技术内存管理技术是操作系统中实现内存资源的高效利用和保护的重要手段。
计算机系统中的内存被划分为多个逻辑单元，各个逻辑单元之间进行切换和管理，以实现多个进程或任务的并发执行。
1. 内存的划分内存划分是内存管理的第一步。
一般情况下，计算机系统将内存划分为操作系统区域和用户区域。
操作系统区域用于存放操作系统内核和相关数据结构，而用户区域用于存放用户程序和数据。
2. 内存映射内存映射是将逻辑地址转换为物理地址的过程。
操作系统通过地址映射表或页表，将逻辑地址映射到实际的物理地址，以实现程序的正确执行和内存的动态管理。
3. 内存分配与回收内存分配与回收是内存管理的核心功能。
操作系统通过内存分配算法，为进程分配内存空间。
而当进程终止或释放内存时，操作系统需要回收这些空间以供其他进程使用。
4. 内存保护内存保护是防止进程之间互相干扰的重要手段。
通过设定访问权限和限制资源的使用，操作系统可以确保每个进程仅能访问自己被分配到的内存空间，从而保护进程的安全性和稳定性。
二、虚拟化技术虚拟化技术是一种将物理资源抽象为逻辑资源，并为不同的用户或应用程序提供独立的逻辑环境的技术。
在计算机操作系统中，虚拟化技术主要包括虚拟内存和虚拟机技术。
1. 虚拟内存虚拟内存是一种将主存和辅助存储器组合使用的技术。
它通过将物理内存的一部分作为虚拟内存空间，将进程的一部分内容从内存转移到硬盘上，以提高内存的利用率和系统的吞吐量。
2. 虚拟机虚拟机技术是将一个物理计算机虚拟为多个逻辑计算机的技术。
通过虚拟化软件的支持，可以在一台物理机上同时运行多个操作系统和应用程序，实现资源的共享和隔离，提高计算机系统的利用率和灵活性。
虚拟化技术在云计算和服务器虚拟化中得到了广泛应用，它极大地提升了计算机系统的效率和灵活性，降低了资源的成本和能源消耗。
操作系统中虚拟内存的管理
操作系统中虚拟内存的管理在使用操作系统时，我们经常会涉及到虚拟内存的概念。
虚拟内存是一种通过硬盘来扩展计算机的物理内存，让计算机看起来拥有更多的内存空间，从而提升计算机的运行效率。
虚拟内存的管理是操作系统中非常重要的一部分，下面就来介绍一下操作系统中虚拟内存的管理。
一、内存分页内存分页是指将整个物理内存分成多个大小相同的分页，每个分页的大小通常为4KB或8KB。
然后将每个进程的虚拟内存也分成多个相同大小的虚拟页面，每个虚拟页面映射到一个物理页面。
这样一来，进程就可以按照页面单位来管理内存。
当进程访问一个虚拟页面时，操作系统会根据虚拟页面的映射关系，将其转换为物理页面并读取其内容。
如果虚拟页面没有被映射到物理页面，那么操作系统就需要将一个空闲的物理页面映射到该虚拟页面上，并将其内容从硬盘中读取进来。
二、页面置换随着进程的运行，部分物理页面会被频繁使用，而另一部分页面则很少使用甚至没有使用过。
为了更好地利用内存空间，操作系统需要对页面进行置换。
页面置换算法的目标是在物理页面不足时，寻找最适合置换出去的物理页面，并将其替换成要使用的新页面。
常见的页面置换算法有FIFO、LRU、Clock和Random等。
其中，FIFO算法是按照物理页面被加载的时间顺序来置换的，即最先加载进来的页面最先被置换出去。
LRU算法则是按照物理页面最近被使用的时间顺序来置换的。
这样，被最少使用的页面就会被优先置换出去，从而留出更多的页面空间给新页面使用。
三、页面缓存为了提高读取速度，操作系统会将最近使用的物理页面缓存到内存缓存区中，以便下一次访问时能够更快地读取。
而当物理页面不足时，操作系统也会优先将内存缓存区中的页面置换出去，以腾出空间给其他页面使用。
四、页面共享有些进程可能会需要共享同一个物理页面，以节省内存空间并提高系统性能。
比如多个进程在同时运行相同的程序时，它们所使用的代码部分可以共享同一个物理页面，减少了内存开销。
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术
操作系统的虚拟存储管理与页式存储技术操作系统是计算机系统中非常重要的一个组件，它负责管理计算机硬件和软件资源，协调各个应用程序的执行，以及提供用户与计算机之间的接口。
虚拟存储管理是操作系统中的一个核心功能，它通过将主存（内存）和辅存（磁盘）结合起来，在有限的主存空间中管理多个应用程序的运行和数据存储。
页式存储技术是一种常用的虚拟存储管理技术，下面将详细介绍虚拟存储管理以及页式存储技术的原理和实现方式。
一、虚拟存储管理的概念和原理虚拟存储管理是一种用于管理计算机主存和辅存的技术，它将辅存中的数据自动地转移到主存中，并且能够在程序运行时动态地分配和回收主存空间。
通过虚拟存储管理，即使计算机的主存空间有限，也可以实现更多应用程序的并发执行和大规模数据的存储与处理。
虚拟存储管理的主要原理是将辅存中的数据划分为若干个固定大小的存储块，称为页面（Page）。
同样，主存也被划分为与辅存页面大小相同的存储块，称为页框（Page Frame）。
每个页面和页框都有唯一的标识符，用于管理和映射页面到页框的关系。
当一个应用程序需要访问或执行某个页面时，操作系统将其从辅存中读入一个空闲的页框，并将其映射到相应的页面标识符。
如果主存中没有空闲的页框，则需要使用一定的页面置换算法将某个页面替换出去，以腾出页框给新的页面使用。
虚拟存储管理能够有效地利用计算机的主存资源，并且能够在不同的应用程序之间进行数据保护和隔离。
通过页面和页框的映射关系，操作系统可以实现虚拟地址空间的划分和隔离，每个应用程序都认为自己独占了整个计算机的内存空间，而不需要关心其他应用程序的存在。
二、页式存储技术的实现方式页式存储技术是一种基于虚拟存储管理的实现方式，它将主存和辅存划分为固定大小的页面，并且使用页表来管理页面和页框的映射关系。
下面将详细介绍页式存储技术的实现方式。
1. 页面和页框的划分页式存储技术将辅存和主存划分为固定大小的页面和页框，通常大小为2的幂次方，例如2KB、4KB或者16KB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。
操作系统虚拟内存
操作系统虚拟内存操作系统中的虚拟内存是一种管理计算机内存的技术，它利用硬盘空间作为“虚拟”的内存扩展，允许更多的程序同时运行，并提高内存的利用率。
本文将介绍虚拟内存的概念、工作原理以及其在操作系统中的作用。
概念及原理虚拟内存是一种将硬盘空间用作内存扩展的技术。
通常情况下，每个程序运行时所需的内存超过了计算机的物理内存容量。
为了解决这个问题，操作系统将不常用的内存数据暂时存储在硬盘上，以便为新的内存需求腾出空间给其他程序使用。
虚拟内存通过把逻辑内存地址映射到物理内存地址来实现。
每个进程都拥有自己的虚拟地址空间，而不受物理内存大小的限制。
操作系统将虚拟地址映射到物理内存，使得进程能够访问所需的数据。
虚拟内存的作用虚拟内存在操作系统中起到了几个重要的作用。
1. 内存管理：虚拟内存允许多个程序同时运行，并且每个程序拥有自己的虚拟地址空间。
操作系统通过调度和管理虚拟内存的分配，实现了对内存资源的合理利用。
2. 内存保护：虚拟内存提供了内存保护的机制。
每个进程在运行时只能访问自己的虚拟地址空间，而不能访问其他进程的地址空间。
这样可以避免不同程序之间的内存冲突，提高系统的稳定性和安全性。
3. 内存共享：虚拟内存使得不同进程之间可以共享同一块物理内存空间。
这种共享机制在多进程间的通信和资源共享中发挥了重要的作用，提高了系统的效率和灵活性。
虚拟内存的实现虚拟内存的实现一般包括以下几个步骤：1. 地址转换：当进程访问虚拟地址时，操作系统将虚拟地址转换为物理地址。
这个转换过程是通过使用页表或段表等数据结构来实现的。
2. 页面置换：当物理内存不足时，操作系统需要将不常用的页面从物理内存中调出，腾出空间给新的页面使用。
常用的页面置换算法有最佳置换算法（OPT）、先进先出（FIFO）和最近最少使用（LRU）等。
3. 页面调度：操作系统需要决定哪些页面被调入物理内存，哪些页面被调出物理内存。
调度算法的选择会影响系统的性能。
常用的页面调度算法有先进先出（FIFO）和最近最久未使用（LRU）等。
虚拟存储的工作原理
虚拟存储的工作原理
虚拟存储是一种计算机系统中的内存管理技术，它允许程序直接使用磁盘空间作为虚拟内存的扩展。
虚拟存储的工作原理如下：
1. 虚拟内存划分：操作系统将物理内存和磁盘空间分成固定大小的块，称为页面（Page）。
每个页面可以映射到内存或磁盘上的特定位置。
操作系统还将虚拟内存划分为等大小的虚拟页（Virtual Page）。
2. 页面置换：当系统运行程序需要更多内存资源时，如果物理内存已满，操作系统会根据一定的置换算法，选择一些页面从内存中置换到磁盘上。
被置换的页面暂时存储在磁盘的交换空间中。
3. 地址转换：程序中的指令和数据使用虚拟地址进行访问，这些虚拟地址被映射到物理地址上。
在每次访问内存时，硬件上的内存管理单元（MMU）会将虚拟地址转换为物理地址。
4. 页面错误处理：当程序访问的页面在物理内存中不存在时，就会发生页面错误（Page Fault）。
操作系统会根据页面错误的原因，将相应的页面从磁盘加载到内存中，并更新页表，使得虚拟地址可以正确映射到物理地址。
5. 页面置换策略：常见的页面置换策略包括最佳置换算法（OPT），先进先出算法（FIFO），最近最久未使用算法（LRU）等。
这些算法根据页面的使用情况，选择最适合置换
的页面，以尽量减少页面错误次数。
通过这种虚拟存储的工作原理，系统可以在较小的物理内存容量下运行更大的程序，提高了计算机系统的资源利用率和运行效率。
操作系统--虚拟存储
操作系统--虚拟存储操作系统虚拟存储在当今的计算机世界中，操作系统扮演着至关重要的角色，它就像是一位幕后的大管家，默默地管理着计算机的各种资源，让我们能够高效、便捷地使用计算机完成各种任务。
而在操作系统众多的功能中，虚拟存储技术无疑是一颗璀璨的明珠，为计算机的性能提升和资源管理带来了巨大的变革。
那么，什么是虚拟存储呢？简单来说，虚拟存储就是一种将物理内存和外部存储（如硬盘）结合起来，为用户提供一个比实际物理内存更大的地址空间的技术。
在没有虚拟存储的情况下，计算机程序能够访问的内存空间大小是由物理内存的大小决定的。
但是，物理内存的容量是有限的，这就限制了计算机能够同时运行的程序数量和规模。
而虚拟存储技术的出现，打破了这个限制，让计算机能够“假装”拥有比实际更多的内存。
想象一下，你正在使用电脑同时运行多个程序，比如浏览器、办公软件、音乐播放器等等。
如果没有虚拟存储，当这些程序所需要的内存总和超过了物理内存的容量时，系统就会变得非常卡顿，甚至可能会崩溃。
但是有了虚拟存储，操作系统会将暂时不使用的程序数据和代码保存到硬盘上，当需要再次使用时再重新加载到内存中，从而为正在运行的程序腾出更多的内存空间。
虚拟存储技术主要通过分页和分段两种方式来实现。
分页是将内存空间和程序的地址空间都划分成固定大小的页，而分段则是根据程序的逻辑结构将其划分成不同的段。
无论是分页还是分段，它们的目的都是为了更好地管理内存，提高内存的利用率。
在分页系统中，当程序需要访问某个页面时，如果该页面不在内存中，就会触发缺页中断。
操作系统会将所需的页面从硬盘加载到内存中，并更新页表，让程序能够继续正常运行。
这个过程对于用户来说是完全透明的，用户感觉不到页面的换入换出，仿佛一直在使用一个巨大的连续内存空间。
分段系统则更侧重于根据程序的逻辑结构来划分内存。
比如，一个程序可以分为代码段、数据段、堆栈段等。
这样的划分方式更符合程序的实际需求，也便于对程序进行管理和保护。
操作系统中的虚拟内存管理机制解析
操作系统中的虚拟内存管理机制解析随着计算机技术的飞速发展，现代操作系统系统已经成为人们计算机使用的必备工具。
而操作系统中的虚拟内存管理机制则是其中一项重要的技术手段，并且在现代操作系统中被广泛采用。
本文将从以下四个方面对虚拟内存管理机制进行解析。
一、虚拟内存管理机制的定义以及实现原理虚拟内存管理机制（Virtual Memory Management）是一种基于动态地址转换技术的内存管理机制。
它通过将物理内存和虚拟内存进行映射，实现了多个进程间之间的内存隔离和内存共享的功能。
可以使得每个进程都拥有自己的独立的地址空间，有效避免了进程之间的内存干扰和死锁问题。
实现虚拟内存管理机制的关键是虚拟地址到物理地址的映射。
现代操作系统中，一般通过页表和分页机制来实现这一映射。
操作系统将进程的虚拟地址空间划分为大小相等的虚拟地址页，在进程执行时，每一次虚拟地址访问都会触发一次缺页中断，在缺页中断处理程序中，根据页表将虚拟地址页映射到物理地址页，然后重新执行之前的指令。
二、虚拟内存管理机制的优点虚拟内存管理机制的最大优点是能够使得操作系统中进程之间拥有完全独立的地址空间，避免了进程之间的内存干扰问题。
此外，它还可以实现内存共享功能和页面置换功能。
通过内存共享功能，进程之间可以共享某些特定的内存区域，提高内存的利用效率。
而通过页面置换功能，可以将暂时不使用的内存页面进行置换，从而避免了因为内存不足而产生的异常终止问题。
三、虚拟内存管理机制的缺点虚拟内存管理机制虽然拥有很多优点，但也有一些缺点。
首先，由于虚拟内存的实现需要消耗额外的资源，因此会降低系统的运行效率。
此外，在缺页中断处理程序中，由于需要频繁地进行虚拟地址到物理地址的映射，因此会产生额外的开销。
另外，虚拟内存管理机制还容易导致内存碎片和增加操作系统的复杂度等问题。
四、虚拟内存管理机制常用的算法虚拟内存管理机制还会涉及到一些算法问题，其中最常见的算法包括LRU页面置换算法、FIFO页面置换算法、CLOCK页面置换算法等。
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该特征是以上两个特征为基础的。
二、请求分页式存储管理方式
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。
c）修改为M：纪录该页面在调入内存后是否被修 改过。
d）外存地址：指出该页在外存上的地址，通常 是物理块号，供调入该页时使用。
3）地址变换机构 图8-2
2、内存分配策略 1）内存页面分配策略 a）平均分配 b）按进程大小比例分配
c） 按进程优先级比例分配 d）按进程长度和优先级比例分配
2）外存块的分配策略
a) 静态分配：一个进程在运行前，将所有 页面全部装入外存。当一个外存页面被 调入内存，所占用的外存页面不释放。
b) 动态分配：一个进程运行前，仅将没有 装入内存的部分装入外存，当某页面被 调入内存时，释放所占用的外存空间。
3、页面调入时机 1）请求调页策略 发生缺页中断时进行页面调度 2）预调页策略 每次调入若干个页面
3）最近最久未使用置换算法（LRU）
选择内存中最久未使用的页面被置换。这是局 部性原理的合理近似，性能接近最佳算法。但 由于需要记录页面使用时间的先后关系，硬件 开销太大。
硬件机构如：
1）计时法
系统为每个页面增设一个计时器，页面被访问时， 当时的绝对时钟内容被复制到对应的计时器中， 这样系统记录了内存所有页面最后一次被访问 的时候，淘汰时，选取计时器中最小的页面淘 汰。
2பைடு நூலகம்堆栈法
按照页面最后一次访问的时间次序依次排列到堆 栈中。进程访问某一页时，其对应的页面号由 栈内取出压入栈顶，因此，栈顶始终是最新被 访问页面的页面号，栈底则是最近最久没有使 用的页面号。
4）最近未使用置换算法（NRU）
近似于LRU算法，不但希望淘汰最近未使 用的页面，还希望被挑选的页面在内存 驻留期间，其页面内容没有给修改过， 因此增加两个硬件位：访问位和修改位。 0和1，0表示未访问或未修改。
c） 读入所需得页面，修改页表。
d） 重新启动进程，执行被中断的指令。
2）页表机制
页表中除了页号和物理块，增加若干项，以完 成调入功能和置换功能
a）状态位P：指示该页是否已经调入内存，0表 示该页已在内存，1表示该页不再内存。
b）访问位A：纪录该页在一段时间内被访问的次 数，或最近已经有多少时间没有访问，供置换 算法选择页面时参考。
• 在程序执行过程中，如果需执行的指令或访 问的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则 由处理器通知操作系统将相应的页或段调入到 内存，然后继续执行程序。
• 另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的 页或段调出保存在外存上，从而腾出空间存放 将要装入的程序以及将要调入的页或段。只需 程序的一部分在内存就可执行。
第八章 虚拟存储管理技术
实存储管理技术要求把进程全部装入内存才能 运行，在运行过程中，会出现两种可能：
1） 要求运行的进程所需的内存空间大于系统 的内存空间，只有部分进程能够装入内存运行， 而其他进程只有留在外存中等待。
2） 逻辑地址空间大于存储空间的进程无法在 系统中运行。
两种解决方案：从物理上增加内存容量或从逻 辑上扩充内存容量（虚拟存储）
4、页面调度算法
1）最佳置换算法（OPT）
选择“未来不再使用的”或“在离当前 最远位置上出现的”页面被置换。这是 一种理想情况，是实际执行中无法预知 的，因而不能实现。可用作性能评价的 依据。
假定系统为某进程分配了三个物理块， 并考虑有以下的页面号引用串：
7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3， 2，1，2，0，1，7，0，1
2）先进先出置换算法（FIFO）
选择建立最早的页面被置换。可以通过链表来
表示各页的建立时间先后。性能较差。较早调 入的页往往是经常被访问的页，这些页在FIFO 算法下被反复调入和调出。
• Belady现象：采用FIFO算法时，如果对一个 进程未分配它所要求的全部页面，有时就会出 现分配的页面数增多，缺页率反而提高的异常 现象。
所谓虚拟存储器，就是仅把进程的一部分装入 内存便可运行的存储器系统，它具有请求调入 功能和置换功能，是能从逻辑上对内存容量进 行扩充的一种存储器系统。
虚拟存储器的逻辑容量由系统的寻址能力和外 存容量之和所决定。
多次性：一个作业被分成多次调入内存运行；
对换性：允许在作业的运行过程中进行换进、换 出；
1、请求分页式存储管理的基本概念
1）基本原理
运行前将一部分页面装入内存，另外一部分页 面则装入外存。在程序运行过程中，如果所访 问的页面不再内存中，则发生缺页中断，操作 系统进行页面动态调度：
a） 找到被访问页面在外存中的地址。
b） 在内存中找一个空闲块，如果没有，则按 照淘汰算法选择一个内存块，将此块内容写回 外存，修改页表。
在分页式存储管理的基础上，增加了请求调页 功能、页面置换功能而形成的页式虚拟存储系 统。
系统需要解决下面三个问题：
• 1）系统如何获知进程当前所需页面不在主存。 • 2） 当发现缺页时，如何把所缺页面调入主存。
3）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。
一、虚拟存储器的概念
1、局部性原理
局部性原理(principle of locality)：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。
– 时间局限性
– 空间局限性
局部性原理是实现虚拟存储器的理论 基础。
2 、虚拟存储器
• 在程序装入时，不必将其全部读入到内存， 而只需将当前需要执行的部分页或段读入到内 存，就可让程序开始执行。
• Belady现象的描述：一个进程P要访问M个页， OS分配N个内存页面给进程P；对一个访问序 列S，发生缺页次数为PE（S,N）。当N增大时， PE(S, N)时而增大，时而减小。
• Belady现象的原因：FIFO算法的置换特征与 进程访问内存的动态特征是矛盾的，即被置换 的页面并不是进程不会访问的。