操作系统中的虚拟存储技术解析

"虚拟存储-操作系统（第二版）" 操作系统是计算机系统的核心组成部分，它通过改造硬件设施，提供系统调用以及组织工作流程，使得计算机系统更加易用且功能强大。操作系统的主要功能包括处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理和网络与通信管理，同时也为用户提供友好的接口。 虚拟存储技术是操作系统存储管理的一部分，它通过CPU时间和外存空间的交换，解决了内存资源的稀缺问题。虚拟存储分为虚拟页式存储管理和虚拟段式存储管理。在虚拟页式存储中，程序被分割成若干页，只有当需要时才从外存加载到内存；而在虚拟段式存储中，程序被划分为逻辑相关的段，同样按需加载，这提供了更好的代码组织和保护机制。 操作系统具有四大特性：并发性、共享性、异步性和虚拟性。并发性使得多个任务可以在同一时间间隔内看似同时执行，例如多道程序设计，它从宏观上看表现为多个程序同时运行，微观上则是CPU快速切换执行不同的任务。共享性则允许资源被多个进程共享，例如内存或文件。异步性意味着进程的执行不是连续的，而是以中断和恢复的方式进行。虚拟性主要是指通过虚拟化技术，提供超出实际硬件能力的资源感知，例如虚拟内存。 多道程序设计是操作系统中引入的重要概念，它提高了系统资源利用率和效率。从宏观角度看，多个程序同时存在于内存中；微观上，CPU在这些程序间快速切换。多道程序设计的目的是避免CPU空闲，充分利用计算资源。例如，当一个进程等待I/O操作时，CPU可以切换到其他就绪进程，继续执行。 操作系统根据其特征可分为批处理系统、分时系统和实时系统。批处理系统处理批量作业，不直接交互用户；分时系统允许多个用户同时在线交互；实时系统则强调响应速度，确保在规定时间内完成特定任务。 当用户通过用户界面发起系统调用，例如请求打开一个文件，操作系统会暂停当前进程，保存其状态，然后执行系统调用对应的内核函数，处理请求，如查找文件、分配资源等。处理完成后，操作系统恢复原进程的状态，继续其执行。 在CPU接收到磁盘I/O中断时，中断处理过程包括：处理器完成当前指令，保存CPU状态（包括程序状态字PSW和程序计数器PC），根据中断类型读取新PC值执行中断处理程序，中断硬件保存CPU的其余状态信息，处理程序执行并恢复CPU状态。这个过程保证了I/O操作的高效完成，并使CPU能够立即转向其他任务。 进程是操作系统中运行程序的基本实体，具有动态性、并发性、独立性和异步性。它们由程序段、数据段和进程控制块组成，经历就绪、运行和等待三种基本状态。进程间的相互作用和同步通过共享资源和信号量机制来实现。例如，当一个进程等待另一个进程完成某个操作时，它会进入等待状态，直到等待的事件发生，才能被重新调度为就绪状态，然后获取CPU运行。