虚拟存储器原理与技术在操作系统中的应用

第五章虚拟存储器是操作系统课程中的核心概念，主要探讨如何解决程序运行时内存需求超过实际物理内存的问题。虚拟存储器的核心理念是程序和数据的大小可以在逻辑上超过内存的物理限制，通过在内存和硬盘之间动态地存储和交换数据，使得用户能够在一个比实际内存大得多的虚拟地址空间中工作。 1. **问题提出**：随着程序规模的增大，可能会出现程序一次性加载到内存无法满足的情况。虚拟存储器的目标是解决程序暂时不执行或运行完毕后仍需占用内存的问题。它允许程序在运行时只加载当前需要的部分，其余部分在需要时再从磁盘调入。 2. **功能特性**： - **请求调入与置换**：虚拟存储器具备请求调入功能，即当程序需要未在内存中的页面时，操作系统会将之加载。同时，它也有置换功能，将不再活跃的页面换出内存以腾出空间。 - **利用局部性原理**：程序的执行呈现时间和空间局部性，这使得系统可以通过预测和缓存机制提高效率。 - **基本原理**：程序只在执行时加载必要的部分，缺页时进行动态加载，内存不足时进行替换。 3. **虚拟存储技术特征**： - **离散性**：虚拟地址空间不连续，不同于物理内存的连续分配。 - **多次性**：允许同一页面被重复调入，减少磁盘I/O。 - **对换性**：与传统的交换不同，虚拟存储针对虚拟地址空间的部分进行操作。 - **虚拟性**：利用物理内存和外存结合提供大量虚拟地址，但总占用空间受物理内存和交换区大小限制。 4. **虚拟存储器容量**：虚拟存储器的最大容量受限于计算机的地址结构，例如，32位CPU意味着最大可达2^32个地址，即使虚拟内存远大于物理内存，但总体上仍受硬件地址空间的限制。 虚拟存储器是现代操作系统的关键组成部分，通过其动态管理内存和外部存储，极大地扩展了程序的可用资源，提高了系统的效率和并发处理能力。理解和掌握这一概念对于编写高效运行的软件至关重要。