虚拟存储器的概念与局部性原理

"本课件主要探讨了操作系统中的存储管理，特别是关注了虚拟存储器的概念和原理。文件提到了传统存储器管理方式存在的问题，即一次性装入和驻留性，以及如何通过引入虚拟存储器来解决这些问题。同时，讲解了程序执行的局部性原理，这是虚拟存储器设计的基础。" 操作系统中的存储管理是确保系统高效运行的关键组成部分。在传统的存储器管理方式中，一次性装入原则要求作业必须全部装入内存才能运行，这可能导致大作业无法运行或者内存资源的浪费。另一方面，作业一旦装入内存，就会一直驻留在内存中，即使部分程序或数据不再需要，也会占用内存空间，限制了其他作业的运行机会。 为了解决这些问题，引入了虚拟存储器的概念。虚拟存储器允许程序并不需要一次性全部装入内存，而是根据程序执行的局部性原理，只加载当前需要的部分到内存中。局部性原理指出，程序执行过程中，大部分时间只会在有限的代码和数据区域活动，比如顺序执行、过程调用、循环结构和数组操作等。这意味着，只要保证这些活跃区域在内存中，程序就可以正常运行。 例如，即使一个程序很大，超出内存容量，虚拟存储器也能通过分页或分段机制，将当前需要用到的部分从外存（如硬盘）调入内存，不需要的部分则保留在外存。当程序需要访问的数据不在内存时，系统会自动进行页面替换，将不常使用的页面换出到外存，将需要的页面换入内存，这个过程称为页面调度。 虚拟存储器的引入显著提高了系统的并发性和资源利用率，使得更多作业可以同时在系统中运行，而不需要过多依赖物理内存的大小。然而，这也带来了额外的开销，包括页面故障处理、页面替换算法的选择以及内存与外存之间的数据交换等。因此，优化虚拟存储器的性能成为了操作系统设计中的重要课题。 虚拟存储器是现代操作系统中解决内存不足和提高资源利用率的有效手段，它的设计基于程序执行的局部性，通过动态地在内存和外存之间移动数据，实现了逻辑地址与物理地址的分离，从而提供了比实际物理内存更大的“虚拟”内存空间。