操作系统-虚拟内存
有关操作系统的设计，都是在解决一个问题，即：如果让计算机高效安全的运行多道程序。
本文要解决哪些问题
- 为何虚拟地址可以起到这样的作用：512M内存的机器，可跑1G大小的游戏？
- 虚拟内存技术体现了哪些设计原则？
虚拟内存简介
虚拟内存有哪些能力？
- 给所有进程提供一致的地址空间，每个进程都认为自己是在独占使用单机系统的存储资源—如何实现呢？为何能有这种效果
- 保护每个进程的地址空间不被其他进程破坏，隔离了进程的地址访问。
- 虚拟内存把主存作为磁盘的高速缓存，在主存和磁盘之间根据需要来回传送数据，高效的使用了主存。
- 虚拟内存技术就是建立了内存-外存的两级存储器的结构
技术背景-为什么要用虚拟内存技术
- DRAM（内存）的容量比较小，程序大小的增长速度要比DRAM内存容量的增长速度快的多
- 既然磁盘的容量可以那么大，那么为什么不能把磁盘当成一部分内存来用呢 — 这其实就是虚拟内存
设计原则
局部性原理：包括快表、页告诉缓存以及虚拟内存技术其中都有局部性原理的影子。
局部性原理之一：时间局部性—因为程序中的循环操作
- 如果某条执行被执行，那么不久后该指令还可能被执行。
- 如果某个数据被访问，那么不久后该数据还可能被访问。
局部性原理之二：空间局部性—因为顺序执行和顺序存储
- 一旦程序访问了某个存储单元，那么不久后，其附近的存储单元也将被访问。
这里其实可以想到：基于局部性原理去写程序，去组织变量、数据结构会对程序的运行速度有帮助的。
虚拟内存的定义和特征
问题1：我有一个游戏：game.exe其大小是1GB，当双击它时，操作系统会将exe文件载入内存，但是呢，我现在只有512M的内存，怎么办呢？
- 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入，其余留在外存，先启动程序，让程序先跑着，执行阶段发现访问的信息不在，比如第一关怪物的image，那么再将image载入内存即可。
- 只有上面一条还不够好，如果OS还能将暂时不用的内容换到外存上，比如第一关时加载了某个怪物的image，打到第二关完全可以把这个image换到外存上，以便留出空间去加载第二关怪物的image。
问题2：为什么叫虚拟内存呢？
- 我刚才运行1G的游戏时，那1G的内存真实存在吗？不存在，只存在512M，所以叫虚拟咯。
- 能运行1G游戏的原因是以下几个功能的支持：部分装入、请求调入和置换
问题3：虚拟内存有哪些特征？
- 多次性，无需在作业运行时一次性将程序全部装入内存，而是允许被分成多次调入。
- 对换性，无需作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，进行换进和换出。
- 虚拟性，是指从逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内存容量远大于实际的内存容量。
所以呢，我的1G游戏能跑在512M的机器上。
虚拟内存技术的实现
问题1：优化一次效率，如何实现上述的部分装入，换进换出才能更高效呢？
-
首先考虑一种方法：每次换入都替换地址空间的开头内容，比如我要调入20M的数据，直接覆盖掉内存中的前20M数据，这样实现是否ok呢？
这样实现存在的问题是：内存中的后半部分会一直处于空闲状态，无法利用，那么如果将其利用起来呢？ -
考虑第二种方法：第一种方法效率不高的原因是采用连续的替换规则，如果能采用一种离散的替换规则，即每次不一定非得从头替换，我可以充分考虑内存中的数据分配信息，从而离散地进行分配。
问题2：需要的哪些技术支持?
- 一定容量的内外存，选取外存中多大的空间作为内存的缓存是有讲究的，在linux下是swap区，在windows下是：
- 页表机制，哪些页在内存哪些不在，需要查表决定。
- 中断机构：当需要访问的部分未调入内存，则产生中断，让中断服务程序去调入相关部分
- 地址变换机构：实现逻辑地址到物理地址的转换。
问题3：有哪些方式可实现上述功能？
- 请求分页存储管理
- 请求分段存储管理
- 请求段页式存储管理
问题4：有了以上理解你能解释这个问题吗？当电脑内存慢的时候，电脑卡的要死，点一下要反应半天。
- 首先虚拟地址是拿磁盘的一部分当内存来用，即将内存当作磁盘的缓存，内存快小，磁盘慢大
- 内存满的时候只能拿磁盘上的交换区来用，但是呢磁盘慢，比内存慢好几个数量级，内存越满，越不好调度，用的虚拟内存即磁盘越多，那速度就越慢了
- 归根结底，这个问题的解答在两点：内存小、磁盘慢
- 怎么解决呢？最好的解决方法是扩内存条，加大虚拟内存空间治标不治本，效果不好，再者说现在内存容量8G、16G不是问题，虚拟内存作用在变小，但是不建议关闭，因为有些程序是专门利用了虚拟内存技术来写的。
请求分页管理方式实现虚拟内存
- 为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页和页面置换功能。
- 在请求分页系统中，只要求将当前需要的一部分页面装入内存，便可以启动作业运行。在作业执行过程中，当所要访问的页面不在内存时，再通过调页功能将其调入，同时还可以通过置换功能将暂时不用的页面换出到外存上，以便腾出内存空间。
- 为了实现请求分页，系统必须提供一定的硬件支持。除了需要一定容量的内存及外存的计算机系统，还需要有页表机制、缺页中断机构和地址变换机构。
页表机制
增加的四个字段说明如下：
- 状态位P：用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。
- 访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近己有多长时间未被访问，供置换算法换出页面时参考。
- 修改位M：标识该页在调入内存后是否被修改过。
- 外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。
缺页中断机构
系统中，所要访问的页面不存在时，便产生一个缺页中断，请求OS调入。
缺页中断与普通中断一样，要经过保存CPU现场，分析终端原因，转入中断处理程序，恢复CPU等几个步骤，但是有不同点：
- 在指令执行期间产生和处理中断信号，而非一条指令执行完成后，属于内部中断
- 一条指令执行期间，可能产生多个缺页中断。
地址变换机构
其中快表是另外一种机制，目前可不深究
至此，虚拟内存技术已经大致了解，其内部还存在很多内容，比如页面置换算法、页面分配策略等。