第一节 虚拟存储的基本概念

• 需求背景
• 覆盖技术
• 交换技术
• 局部性原理
• 虚拟存储定义
• 虚拟页式存储
• 缺页异常

虚拟存储的基本概念 -- 需求背景

程序规模的增长速度远远大于存储器容量的增长速度

理想中的存储器: 容量更大、速度更快、价格更便宜的非易失性存储器

虚拟存储的基本概念 -- 需求背景

主要问题：计算机系统时常出现内存不够用
基本思路：内存不够，外存来补

• 函数覆盖（overlay）
  • 应用程序以函数/模块为单位手动换入换出内存
• 程序交换（swapping）
  • 操作系统以程序为单位自动换入换出内存
• 虚拟存储(virtual storage)
  • 操作系统以页为单位自动换入换出内存

虚拟存储=内存+外存

虚拟存储的基本概念 -- 需求背景

• 操作系统对虚拟存储的抽象：地址空间
  

虚拟存储的基本概念 -- 覆盖技术

• 目标
  • 程序员手动控制在较小的可用内存中运行较大的程序
• 基本思路
  • 一个时间段内执行的函数或模块不能共享一块有限的空间

虚拟存储的基本概念 -- 覆盖技术

• 在时间段内，函数或模块不会在程序执行的一条控制流上

• 覆盖：把一个程序划分为一系列功能相对独立的程序段，让执行时不要求同时装入内存的程序段组成一组（称为覆盖段），共享主存的同一个区域，这种内存扩充技术就是覆盖。

  • 必要部分（常用）的代码和数据常驻内存
  • 可选部分（不常用）放在其他程序模块中,只在需要用到时装入内存
  • 不存在调用关系的模块可相互覆盖，共用同一块内存区域

虚拟存储的基本概念 -- 覆盖技术

虚拟存储的基本概念 -- 覆盖技术

覆盖技术的不足

• 增加编程困难
  • 需程序员划分功能模块，并确定模块间的覆盖关系
  • 增加了编程的复杂度；
• 增加执行时间
  • 从外存装入覆盖模块
  • 时间换空间

Turbo Pascal的Overlay系统单元支持程序员控制的覆盖技术

虚拟存储的基本概念 -- 交换技术

• 基本思路
  • 操作系统以程序为单位自动换入换出内存
• 方法
  • 换出(swap out):把一个执行程序的整个地址空间内容保存到外存
  • 换入(swap in):将外存中某执行程序的地址空间内容读入到内存

虚拟存储的基本概念 -- 交换技术

面临的问题

• 交换时机：何时需要发生交换？
  • 只当内存空间不够或有不够的可能时换出
• 交换区大小:存放所有用户进程的所有内存映像的拷贝
• 程序换入时的重定位：换出后再换入时要放在原处吗？
  • 不一定在原处，需要某种机制保证程序正确寻址&执行

虚拟存储的基本概念 -- 覆盖与交换的比较

• 程序覆盖
  • 发生在某时间段不在一个控制流上的模块/函数间
  • 以模块/函数为单位
  • 程序员须给出模块/函数间的逻辑覆盖结构
• 交换
  • 发生在运行的程序之间
  • 以运行的程序为单位
  • 不需要模块间的逻辑覆盖结构

运行的程序：任务（也指以后进一步进化的进程）

虚拟存储的基本概念 -- 定义

• 定义：虚拟存储=内存+外存
• 思路：操作系统将不常用的部分内存暂存到外存，将要处理器访问的数据从外存装入内存
• 前提：程序具有局部性

虚拟存储的基本概念 -- 局部性

局部性（locality）：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

• 时间局部性：一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短时期内
• 空间局部性：当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的几个数据都集中在一个较小区域内
• 分支局部性：一条跳转指令的两次执行，很可能跳到相同的内存位置

局部性的意义：如果大部分程序运行具有局部性特征，虚拟存储技术是能够实现的，而且可取得满意的效果

虚拟存储的基本概念 -- 思路与规则

• 思路：将不常用的部分内存块暂存到外存
• 规则：
  • 装载程序时：只将当前指令执行需要的部分页面或段装入内存
  • 指令执行中需要的指令或数据不在内存（称为缺页或缺段）时：处理器通知操作系统将相应的页面或段调入内存
  • 操作系统将内存中暂时不用的页面或段保存到外存
• 实现方式：
  • 虚拟页式存储
  • 虚拟段式存储

虚拟存储的基本概念 -- 基本特征

• 不连续性
  • 物理内存分配非连续
  • 虚拟地址空间使用非连续
• 大用户空间
  • 提供给用户的虚拟内存可大于实际的物理内存
• 部分交换
  • 虚拟存储只对部分虚拟地址空间进行调入和调出

虚拟存储的基本概念 -- 底层支撑

• 硬件(MMU/TLB/PageTable)
  • 页式或段式存储中的硬件地址转换机制、硬件异常
• 软件(OS)
  • 内存中建立页表或段表
  • 管理内存和外存间页面或段的换入和换出

虚拟存储的基本概念 -- 虚拟页式存储管理

• 在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换
  基本思路
  • 当用户程序要装载到内存时，只装入部分页面，就启动程序运行
  • 用户程序在运行中发现有需要的代码或数据不在内存时，则向系统发出缺页异常请求
  • 操作系统在处理缺页异常时，将外存中相应的页面调入内存，使得用户程序能继续运行
  • 当内存快用完时，操作系统把部分页从内存调出到外存

虚拟页式存储管理

• 在页式存储管理的基础上，增加请求调页和页面置换
• 请求调页：也称按需分页，在处理器需要访问某数据时，才把数据从外存调入内存
• 页面置换：把不常用页换出，要使用的页换入
• 软硬件协同支持机制：缺页异常处理

虚拟存储的基本概念 -- 缺页异常的处理流程

1. CPU读内存单元，在TLB中根据其虚拟地址匹配物理地址，未命中，读页表；
2. 由于页表项的存在位为0，CPU产生Page Fault 异常；
3. OS处理此异常，查找到保存在外存中对应的应用的页面内容；

虚拟存储的基本概念 -- 缺页异常的处理流程

4-1. 如有空闲物理页帧，把外存中的页面内容换入到某空闲物理页帧中；
4-2 . 如无空闲物理页帧，通过置换算法释放/换出某物理页帧到外存，再把外存中的页面内容换入到某空闲物理页帧中；

虚拟存储的基本概念 -- 缺页异常的处理流程

5. 修改页表项，建立虚拟页到物理页帧的映射，存在位置1；
6. OS返回到应用程序，让处理器重新执行产生Page Fault 异常的读内存单元指令。

在何处保存未被映射的页？如何找到这个页？

虚拟存储的基本概念 -- 外存管理

• 在何处保存未被映射的页？
  • 应能方便地找到在外存中的页面内容
  • 交换空间（磁盘/文件形态）
    • 采用特殊格式存储未被映射的页面
  • 磁盘上的文件(代码或数据)
    

虚拟存储的基本概念 -- 外存管理

• 如何找到这个页？即，在何处保存放在外存中的页的地址？
  • 交换空间
    • 磁盘分区：一般是扇区地址
    • 在存在位为0的页表项中保存外存的页地址

虚拟存储的基本概念 -- 外存管理

• 如何找到这个页？即，在何处保存放在外存中的页的地址？
• 磁盘上的文件(代码或数据)
  • 地址空间中的逻辑段表示中有对应的文件位置
  • 如：MemorySet::MapArea
  • 代码段：可执行二进制文件
  • 动态加载的共享库程序段：动态调用的库文件

虚拟存储的基本概念 -- 性能

有效存储访问时间（effective memory access time EAT）

EAT = 内存访问时间 * (1-p) + 缺页异常处理时间
缺页异常处理时间 = 磁盘访问时间*p(1+q)

• 缺页率：p ；写回概率：q

例子：

• 内存访问时间: 10 ns ；磁盘访问时间: 5 ms

• EAT = 10(1–p) + 5,000,000p(1+q)