第7章 虚拟存储器管理

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1、计算机操作系统主讲:四川大学计算机学院刘循第7章虚拟存储器管理传统的内存管理要求作业的全部信息必须装入内存系统才能运行。在用户作业日益增大的情况下，为作业分配足够大的内存非常困难，因此，存储器管理面临的重要任务是如何解决内存扩充问题，使得作业的执行不受内存大小限制，使得内存能够存放更大和更多的作业。虚拟存储器管理为解决内存扩充问题而提出，其实现思想是将外存作为内存的扩充，作业运行不需要将作业的全部信息放入内存，可将暂时将不运行的作业信息放在外存，通过内存与外存之间的对换，使系统逐步将作业信息放入内存，最终达到能够运行整个作

2、业，从逻辑上扩充内存的目的。第7章虚拟存储器管理虚拟存储器的实现基础是内存的分页式或分段式管理，采用的是进程页面或分段在内存与外存之间对换。虚拟存储器管理允许进程的逻辑地址空间比物理内存空间更大，即小空间能够运行大程序，打破了程序运行受内存空间的约束，使操作系统不但能够接纳更大的作业，而且还能接纳更多的作业，提高了系统的多道度和性能。本章的主要内容如下：虚拟存储器的基本概念请求分页虚拟存储管理页面置换算法页面调度性能请求分段虚拟存储管理Windows2000/XP系统存储器管理实例第7章虚拟存储器管理7.1虚拟存储器的基本

3、概念由于受到计算机结构限制和系统成本限制，计算机系统的内存容量总是有限的。在传统存储器管理中，如果一个作业需要运行，系统必须将作业的全部信息装入内存，并在整个作业运行结束后，才能释放内存。如果一个作业信息大于内存容量，则无法装入内存，也无法运行；如果系统有大量的作业申请进入内存，则系统只能接纳相当有限的作业，系统的多道度和性能都难以得到提高。通过对进程运行的分析而发现：在进程执行时，并非同时需要作业的全部信息。7.1.1虚拟存储器的概念在进程的执行过程中，作业的某部分信息，可能从来不会使用；也可能运行完一次后，再也不会使用

4、。如果将这些不使用的信息存放在物理内存中，对内存是一种浪费。同样，既然作业的全部信息是分阶段需要，则可以分阶段将作业信息调入内存，而不需要一次将作业的全部信息调入内存。于是，提出了这样的问题：能否将作业不执行的部分暂时存放在外存，待到进程需要执行时，再将其从外存调入内存。将外存作为内存的补充，从逻辑上扩充内存，是虚拟存储器的基本思想。7.1.1虚拟存储器的概念（续）人们通过对Fortran语言程序、操作系统过程和通用科学计算程序的分析，发现了对程序和数据的访问具有如下特点：（1）顺序性程序在运行时除了少部分的分支和过程调用

5、指令外，大部分都是顺序执行。对大程序没有必要把所有的信息一次都放入内存。（2）局限性程序在运行时，如果有若干个过程调用，程序执行的轨迹会转移至调用区域，但过程调用一般由相对较少的指令组成。经过对大量的实例研究而发现：在大多数情况下，过程调用的深度不会很深，一般在5级以下。当程序在某个局部范围内运行时，系统可以只将相关的局部信息放入内存，其它不相关或暂时不相关的信息放入外存。7.1.1虚拟存储器的概念（续）（3）多次性虽然程序中可能包含许多循环结构，但是这些循环结构通常只由少数指令构成。这些集中在一起的少数指令被多次执行，在

6、内存中可以只放入一个版本，在需要时才将该版本调入内存。（4）独立性程序中可能存在彼此互斥或相互独立的部分，每次运行时总有部分程序不被使用，没有必要将不被使用的部分放入内存。7.1.1虚拟存储器的概念（续）虚拟存储器定义：虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能够从逻辑上对内存空间进行扩展，允许用户的逻辑地址空间大于物理内存地址空间的存储器系统。虚拟存储器的组织形式如图7.1所示。图7.1虚拟存储器的组织在虚拟存储器管理中，一般将硬盘作为外存，因此，硬盘也被称为对换设备。虚拟存储器的逻辑地址空间大小与物理内存大小没有直接

7、关系，由计算机系统的地址结构决定。如果计算机系统的地址为32位，则可寻址的范围为0～4G；如果计算机系统的地址为20位，则可寻址的范围为0～1M。计算机系统的可寻址范围为虚拟存储器的最大范围。7.1.1虚拟存储器的概念（续）大约在1962年，英国Atlas计算机系统中就已经引入了虚拟存储器技术。自1970年开始，IBM和MIT陆续将虚拟存储器技术用在了自己的操作系统上，并从理论上阐述了页式虚拟存储技术在商业计算机中应用的可行性。到了1990年之后，绝大多数操作系统都支持虚拟存储器管理，如各种版本的UNIX系统和Window

8、s系统都采用了虚拟存储器管理。今天，几乎所有的操作系统都采用了虚拟存储器管理。7.1.1虚拟存储器的概念（续）7.1.2虚拟存储器的特征虚拟存储器具有如下特征:（1）离散性虚拟存储器管理基于内存的离散分配形式，作业以分页或分段方式，被离散分配到内存中。（2）多次性虚拟存储器在实现上需要将一个作业分多次调