软考知识点——虚拟存储器基本工作原理

虚拟存储器是一种通过软硬件结合的技术，将主存（物理内存）和辅存（如硬盘）结合起来，为用户提供一个比实际物理内存大得多的地址空间，从而允许程序在逻辑上使用比物理内存更大的存储空间。以下是其基本工作原理的详细阐述：

一、核心思想：逻辑扩展与按需调入

虚拟存储器的核心思想在于逻辑上扩展内存容量，并通过按需调入和动态置换机制，实现大容量程序的运行。具体而言：

• 逻辑扩展：为用户程序提供一个远大于物理内存的连续地址空间（称为虚拟地址空间），程序可在此空间内自由寻址，无需关心物理内存的实际限制。
• 按需调入：当程序访问的虚拟地址未映射到物理内存时，系统自动从辅存（如硬盘）中调入所需页面（或段）到物理内存，确保程序继续执行。
• 动态置换：当物理内存不足时，系统根据置换算法（如FIFO、LRU）选择部分页面（或段）换出到辅存，为新调入的页面腾出空间。

二、关键技术：分页、分段与段页式

虚拟存储器通过分页、分段或段页式管理技术，实现虚拟地址到物理地址的映射：

1. 分页管理：

   • 基本原理：将虚拟地址空间和物理内存均划分为固定大小的页（Page）和页框（Frame），通过页表记录虚拟页号与物理页框号的映射关系。
   • 地址转换：CPU生成的虚拟地址由页号和页内偏移量组成。系统通过页表将页号转换为物理页框号，再结合页内偏移量得到物理地址。
   • 特点：内存利用率高，但可能产生内部碎片（最后一页未填满）。

2. 分段管理：

   • 基本原理：按程序的逻辑结构（如代码段、数据段、堆段、栈段）将虚拟地址空间划分为若干段（Segment），每段有独立的长度和访问权限，通过段表记录段号与物理内存起始地址的映射关系。
   • 地址转换：CPU生成的虚拟地址由段号和段内偏移量组成。系统通过段表将段号转换为物理内存起始地址，再结合段内偏移量得到物理地址。
   • 特点：符合程序逻辑，便于共享和保护，但可能产生外部碎片（段长度不固定）。

3. 段页式管理：

   • 基本原理：结合分段和分页的优点，先将虚拟地址空间按逻辑结构划分为段，再将每段划分为页。系统通过段表记录段号与页表起始地址的映射关系，页表记录页号与物理页框号的映射关系。
   • 地址转换：CPU生成的虚拟地址由段号、页号和页内偏移量组成。系统先通过段表找到页表起始地址，再通过页表找到物理页框号，最后结合页内偏移量得到物理地址。
   • 特点：兼具分段和分页的优点，但地址转换过程较复杂。

三、地址转换流程：从虚拟到物理的映射

以分页管理为例，虚拟地址到物理地址的转换流程如下：

1. CPU生成虚拟地址：CPU执行指令时生成虚拟地址，该地址由页号和页内偏移量组成。
2. 访问页表：系统根据页号访问页表，查找对应的物理页框号。
3. 检查访问权限：页表中还记录了页面的访问权限（如读、写、执行），系统检查当前访问是否合法。
4. 生成物理地址：将物理页框号与页内偏移量结合，生成物理地址。
5. 访问物理内存：系统根据物理地址访问物理内存，读取或写入数据。

四、页面置换算法：优化内存使用效率

当物理内存不足时，系统需通过页面置换算法选择部分页面换出到辅存。常见的页面置换算法包括：

1. 先进先出（FIFO）：选择最早进入内存的页面换出。实现简单，但可能产生“Belady异常”（增加页框数反而导致缺页率上升）。
2. 最近最少使用（LRU）：选择最近最长时间未被访问的页面换出。性能较好，但实现开销较大。
3. 时钟（Clock）：LRU的近似算法，通过设置访问位和修改位，模拟页面访问情况，选择合适的页面换出。实现简单且性能接近LRU。
4. 最优置换（OPT）：选择未来最长时间不会被访问的页面换出。理论最优，但无法实际实现，仅用于评估其他算法的性能。

五、工作集模型：预测程序内存需求

为减少缺页率，系统需预测程序未来的内存需求。工作集模型通过跟踪程序最近一段时间内访问的页面集合（称为工作集），来预测程序未来的内存需求。系统根据工作集的大小动态调整分配给程序的物理页框数，确保工作集始终驻留在内存中，从而减少缺页率。

六、实际应用：提升系统性能与多任务处理能力

虚拟存储器在实际应用中具有显著优势：

1. 提升系统性能：通过按需调入和动态置换机制，虚拟存储器允许程序在逻辑上使用比物理内存更大的存储空间，从而运行更大规模的程序或处理更复杂的数据。
2. 增强多任务处理能力：虚拟存储器为每个任务提供独立的虚拟地址空间，使得多个任务可以同时运行而不会相互干扰。系统通过时间片轮转或优先级调度等机制，在多个任务之间切换执行，实现多任务处理。
3. 简化内存管理：虚拟存储器将用户程序与物理内存隔离，用户程序无需关心物理内存的实际分配情况，只需在虚拟地址空间内寻址即可。这简化了内存管理过程，提高了编程的灵活性和可移植性。