虚拟内存管理：请求分页与工作集理论

"操作系统虚拟存储教学目标包括理解虚拟内存、缺页中断、请求分页机制、页面替换算法以及工作集的概念及其应用。本章将详细探讨虚拟内存的概念、请求分页虚拟存储管理、请求分段虚拟存储管理和请求段页式虚拟存储管理。" 虚拟内存是一种计算机内存管理技术，它通过将物理内存与磁盘空间相结合，为用户提供了一个比实际物理内存容量大的逻辑内存空间。在虚拟内存系统中，程序的逻辑地址空间可以远远超过物理内存的大小，这是因为不是所有程序的部分都需要同时在内存中。这一特性使得计算机能够同时运行多个进程，即使它们的总需求超过了物理内存的容量。 虚拟内存的核心概念是部分装入和部分替换。程序在运行时仅加载必要的部分到内存中，当需要其他部分时，系统会自动将它们从磁盘调入内存，这个过程称为缺页中断。缺页中断是由处理器检测到试图访问的页面不在内存中时引发的。此时，操作系统会将该页面从磁盘读入内存，并替换掉一个不再需要的页面，这个过程涉及到了页面替换算法，如LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）等。 请求分页虚拟存储管理是虚拟内存的一种实现方式，它允许进程在没有完整占用物理内存的情况下运行。在这个系统中，逻辑地址到物理地址的转换过程需要考虑页表和页表项，以及页帧号和页号的映射。页表记录了逻辑页号到物理页框号的对应关系，页框号则表示实际内存中的位置。地址转换过程中，如果发现所需页面不在内存，则触发缺页中断进行页面调度。 工作集理论是页面替换策略的一部分，它基于程序执行的局部性原理，即程序倾向于在一段时间内集中访问某些区域（空间局部性）并在短时间内重复访问这些区域（时间局部性）。工作集是最近被访问页面的集合，基于工作集的页面替换算法旨在保持尽可能小的、能包含当前工作集的内存空间，以优化性能。 除了请求分页，还有请求分段和请求段页式虚拟存储管理。请求分段允许按逻辑模块（段）来组织和管理内存，每个段都有独立的地址空间。而请求段页式是分页和分段的结合，每个段内再进行分页，增加了地址映射的复杂性，但提供了更好的模块性和保护性。 在设计虚拟内存系统时，需要考虑的关键问题包括装入策略（何时将页面或分段取至内存）、空间分配策略（是否固定或可变大小的内存空间分配给进程）以及内存中的位置安排（特别是在分段存储管理中）。虚拟内存技术极大地扩展了计算机系统的可用内存，提高了多任务处理能力，优化了内存的使用效率。