操作系统——虚拟内存

蔚落 2023-01-10 14:32 290阅读 0赞

虚拟内存别称[虚拟存储器][Link 1]（Virtual Memory）。

虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。**它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。**

## 常规存储器的特征与虚拟存储器的基本思想 ##

#### 常规存储器的特征 ####

*  整体特性
    
    用户作业在运行以前，必须将全部的内容一次装到主存中，这必然会导致主存容量不够；而且在大多数情况下，系统运行时并不要求使用用户作业的所有程序代码，因而会造成主存的空间的浪费。
 *  驻留特性
    
    用户作业在装入主存运行的过程中，将一直占据着主存的部分空间，有些程序只运行一次，但它不会主动释放所占据的主存空间，一直要等到用户作业运行结束才会释放。

##### 局部性原理 #####

程序的执行呈现出局部性规律，即在一较短的时间里，程序的执行仅局限在某一部分，相应地，它访问的存储空间也局限在某一个区域。

#### 虚拟存储器的基本思想 ####

当用户作业要求的存储空间很大，不能被装入主存时，基于局部性原理，系统可以把当前要用的程序和数据装入主存中启动程序运行，而暂时不需要的程序和数据则驻留在外存中。在主存中需要用到不在主存中的信息时，通过系统的调入调出功能和置换功能将暂时不用的数据调出主存，腾出空间让系统调入要用的程序和数据。这样系统就能很好地运行该用户作业。从用户的角度上看，系统具备了比实际主存容量大得多的存储器，人们就把这样的存储器称为虚拟存储器。

### 虚拟内存的实现——页式存储 ###

*  #### 数据结构 ####
    
    虚拟页式存储管理系统中所需要的主要数据结构是页表，主要包含：页框号， 状态位， 访问字段， 修改位，保护权限， 外存地址。
 *  #### 虚拟页式存储管理工作流程 ####

硬件环境：

*  具有一定容量的的主存
 *  相当容量的外存
 *  地址变换机构
 *  缺页中断机构

**总的流程**：

系统位用户作业或进程分配主存工作区并填写相应的页表目录；接着由进程调度程序（内核）调度用户进程执行。进程在执行中访问某一页时，硬件地址转换机构先查看**快表**，若在快表中命中，则立即形成绝对的地址，否则再查看页表，若该页的对应的状态位为1， 表明该页已存在主存中，即根据表内的页框号形成访问主存的绝对地址，若该状态码为0，则表明该页不存在内存中，则由硬件产生一个缺页中断，之后由系统将该页装入主存的空闲页框。

### 内核空间，用户空间 ###

> Linux虚拟内存只有4G，不代表内存卡最大4G（如果不受地址线限制）。虚拟内存只能说明每个进程的空间最大为为4G，内存内如果越大，引起的页切换越小，程序运行速度也越快。

现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

> 因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核空间由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。

#### 内核： ####

内核是操作系统最基本的部分。它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内**核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。**

## 进程切换 ##

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

1.  保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2.  更新PCB信息。
3.  把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
4.  选择另一个进程执行，并更新其PCB。
5.  更新内存管理的数据结构。
6.  恢复处理机上下文。

注：**总而言之进程切换就是很耗资源**

参考：

内核百度百科

https://segmentfault.com/a/1190000003063859

《操作系统设计原理》