46虚拟存储器的基本概念

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 存储器管理,4.6 虚拟存储器的根本概念,前面所介绍的各种存储器管理方式有一个共同的特点，即它们都要求将一个作业全部装入内存前方能运行，于是，出现了下面这样两种情况：,(1)有的作业很大，其所要求的内存空间超过了内存总容量，作业不能全部被装入内存，致使该作业无法运行。,(2)有大量作业要求运行，但由于内存容量缺乏以容纳所有这些作业，只能将少数作业 装入内存让它们先运行，而将其它大量的作业留在外存上等待。,一种解决方法是从物理上增加内存的容量，但这往往会受到机器自身的限制，而且增加系统本钱。,另一种方法是从逻辑上扩充内存容量，这正是虚拟存储技术所要解决的主要问题。,虚拟存储器的引入,常规存储器管理方式的特征,(1)一次性。在前面所介绍的几种存储管理方式中，都要求将作业全部装入内存前方能运行，即作业在运行前需一次性地全部装入内存，而正是这一特征导致了上述两种情况的发生。此外，还有许多作业在每次运行时，并非其全部程序和数据都要用到。如果一次性地装入其全部程序，也是一种对内存空间的浪费。,(2)驻留性。作业装入内存后，便一直驻留在内存中，直至作业运行结束。尽管运行中的进程会因I/O而长期等待，或有的程序模块在运行过一次后就不再需要(运行)了，但它们都仍将继续占用珍贵的内存资源。,由此可以看出，上述的一次性及驻留性，使许多在程序运行中不用或暂不用的程序(数据)占据了大量的内存空间，使得一些需要运行的作业无法装入运行。现在要研究的问题是：一次性及驻留性在程序运行时是否是必需的。,局部性原理,早在1968年，Denning.P就曾指出：程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个局部；相应地，它所访问的存储空间也局限于某个区域。他提出了下述几个论点：,(1)程序执行时，除了少局部的转移和过程调用指令外，在大多数情况下仍是顺序执行的。,(2)过程调用将会使程序的执行轨迹由一局部区域转至另一局部区域，但经研究看出，过程调用的深度在大多数情况下都不超过5。这就是说，程序将会在一段时间内都局限在这些过程的范围内运行。,(3)程序中存在许多循环结构，这些虽然只由少数指令构成，但是它们将屡次执行。,(4)程序中还包括许多对数据结构的处理，如对数组进行操作，它们往往都局限于很小的范围内。,局限性还表现在下述两个方面：,(1)时间局限性。如果程序中的某条指令一旦执行，那么不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，那么不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局限性的典型原因是由于在程序中存在着大量的循环操作。,(2)空间局限性。一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，其典型情况便是程序的顺序执行。,虚拟存储器的定义,所谓虚拟存储器，是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统，其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定。,虚拟存储器的实现方法,在虚拟存储器中，允许将一个作业分屡次调入内存，因此，虚拟存储器的实现，都建立在离散分配的存储管理方式的根底上。,分页请求系统,这是在分页系统的根底上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。它允许只装入少数页面的程序(及数据)，便启动运行。以后，再通过调页功能及页面置换功能，陆续地把即将要运行的页面调入内存，同时把暂不运行的页面换出到外存上。置换时以页面为单位。为了能实现请求调页和置换功能，系统必须提供必要的硬件支持和相应的软件。,1)硬件支持,主要的硬件支持有：,请求分页的页表机制，它是在纯分页的页表机制上增加假设干项而形成的，作为请求分页的数据结构；,缺页中断机构，即每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时，便产生一缺页中断，以请求OS将所缺的页调入内存；,地址变换机构，它同样是在纯分页地址变换机构的根底上开展形成的。,2)实现请求分页的软件,这里包括有用于实现请求调页的软件和实现页面置换的软件。它们在硬件的支持下，将程序正在运行时所需的页面(尚未在内存中的)调入内存，再将内存中暂时不用的页面从内存置换到磁盘上。,请求分段系统,这是在分段系统的根底上，增加了请求调段及分段置换功能后所形成的段式虚拟存储系统。它允许只装入少数段(而非所有的段)的用户程序和数据，即可启动运行。以后再通过调段功能和段的置换功能将暂不运行的段调出，同时调入即将运行的段。置换是以段为单位进行的。,为了实现请求分段，系统同样需要必要的硬件支持。一般需要以下支持：,(1)请求分段的段表机制。这是在纯分段的段表机制根底上增加假设干项而形成的。,(2)缺段中断机构。每当用户程序所要访问的段尚未调入内存时，产生一个缺段中断，请求OS将所缺的段调入内存。,(3)地址变换机构。,虚拟存储器的特征,屡次性,屡次性是指一个作业被分成屡次调入内存运行，亦即在作业运行时没有必要将其全部装入，只需将当前要运行的那局部程序和数据装入内存即可；以后每当要运行到尚未调入的那局部程序时，再将它调入。屡次性是虚拟存储器最重要的特征，任何其它的存储管理方式都不具有这一特征。因此，我们也可以认为虚拟存储器是具有屡次性特征的存储器系统。,对换性,对换性是指允许在作业的运行过程中进行换进、换出，亦即，在进程运行期间，允许将那些暂不使用的程序和数据，从内存调至外存的对换区,(,换出,),，待以后需要时再将它们从外存调至内存,(,换进,),；甚至还允许将暂时不运行的进程调至外存，待它们重又具备运行条件时再调入内存。换进和换出能有效地提高内存利用率。可见，虚拟存储器具有对换性特征。,虚拟性,虚拟性是指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。这是虚拟存储器所表现出来的最重要的特征，也是实现虚拟存储器的最重要的目标。,值得说明的是，虚拟性是以屡次性和对换性为根底的，或者说，仅当系统允许将作业分屡次调入内存，并能将内存中暂时不运行的程序和数据换至盘上时，才有可能实现虚拟存储器；而屡次性和对换性又必须建立在离散分配的根底上。,