傳統(tǒng)存儲(chǔ)管理方式的特征

常規(guī)存儲(chǔ)管理方式具有以下共同的特征：

1) 一次性

作業(yè)必須一次性全部裝入內(nèi)存后，方能開始運(yùn)行。這會(huì)導(dǎo)致兩種情況發(fā)生：

• 當(dāng)作業(yè)很大，不能全部被裝入內(nèi)存時(shí)，將使該作業(yè)無法運(yùn)行；
• 當(dāng)大量作業(yè)要求運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)存不足以容納所有作業(yè)，只能使少數(shù)作業(yè)先運(yùn)行，導(dǎo)致多道程序度的下降。

由于內(nèi)存成本很高，針對(duì)以上問題，較為有效的解決方案是從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存容量，也就是虛擬存儲(chǔ)技術(shù)需要解決的問題。

2) 駐留性

• 作業(yè)被裝入內(nèi)存后，就一直駐留在內(nèi)存中，其任何部分都不會(huì)被換出，直至作業(yè)運(yùn)行結(jié)束。運(yùn)行中的進(jìn)程，會(huì)因等待I/O而被阻塞，可能處于長期等待狀態(tài)。

許多在程序運(yùn)行中不用或暫時(shí)不用的程序（數(shù)據(jù)）占據(jù)了大量的內(nèi)存空間，而一些需要運(yùn)行的作業(yè)又無法裝入運(yùn)行，顯然浪費(fèi)了寶貴的內(nèi)存資源。

局部性原理

要真正理解虛擬內(nèi)存技術(shù)的思想，首先必須了解計(jì)算機(jī)中著名的局部性原理。髙速緩存技術(shù)極大地影響了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

局部性原理表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1) 時(shí)間局部性

如果程序中的某條指令一旦執(zhí)行，不久以后該指令可能再次執(zhí)行；如果某數(shù)據(jù)被訪問過，不久以后該數(shù)據(jù)可能再次被訪問。產(chǎn)生時(shí)間局部性的典型原因，是由于在程序中存在著大量的循環(huán)操作。

2) 空間局部性

一旦程序訪問了某個(gè)存儲(chǔ)單元，在不久之后，其附近的存儲(chǔ)單元也將被訪問，即程序在一段時(shí)間內(nèi)所訪問的地址，可能集中在一定的范圍之內(nèi)，這是因?yàn)橹噶钔ǔＪ琼樞虼娣?、順序?zhí)行的，數(shù)據(jù)也一般是以向量、數(shù)組、表等形式簇聚存儲(chǔ)的。

時(shí)間局部性是通過將近來使用的指令和數(shù)據(jù)保存到高速緩存存儲(chǔ)器中，并使用高速緩存的層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？臻g局部性通常是使用較大的高速緩存，并將預(yù)取機(jī)制集成到高速緩存控制邏輯中實(shí)現(xiàn)。虛擬內(nèi)存技術(shù)實(shí)際上就是建立了 “內(nèi)存一外存”的兩級(jí)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，利用局部性原理實(shí)現(xiàn)髙速緩存。

虛擬存儲(chǔ)器的定義和特征

基于局部性原理，在程序裝入時(shí)，可將程序的一部分裝入內(nèi)存，而將其余部分留在外存，即可啟動(dòng)程序執(zhí)行。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時(shí)，由操作系統(tǒng)將所需要的部分調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。

另一方面，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的內(nèi)容換出到外存上，從而騰出空間存放將要調(diào)入內(nèi)存的信息。這樣，系統(tǒng)好像為用戶提供了一個(gè)比實(shí)際內(nèi)存大得多的存儲(chǔ)器，稱為虛擬存儲(chǔ)器。

之所以將其稱為虛擬存儲(chǔ)器，是因?yàn)檫@種存儲(chǔ)器實(shí)際上并不存在，只是由于系統(tǒng)提供了部分裝入、請(qǐng)求調(diào)入和置換功能后（對(duì)用戶完全透明），給用戶的感覺是好像存在一個(gè)比實(shí)際物理內(nèi)存大得多的存儲(chǔ)器。虛擬存儲(chǔ)器的最大容量為：min(內(nèi)存+外存，2^n) 。n為計(jì)算機(jī)的地址總線位數(shù)。

虛擬存儲(chǔ)器有以下三個(gè)主要特征：

• 多次性，是指無需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一次性地全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。
• 對(duì)換性，是指無需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)的運(yùn)行過程中，進(jìn)行換進(jìn)和換出。
• 虛擬性，是指從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存的容量，使用戶所看到的內(nèi)存容量，遠(yuǎn)大于實(shí)際的內(nèi)存容量。

虛擬內(nèi)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

虛擬內(nèi)存中，允許將一個(gè)作業(yè)分多次調(diào)入內(nèi)存。釆用連續(xù)分配方式時(shí)，會(huì)使相當(dāng)一部分內(nèi)存空間都處于暫時(shí)或“永久”的空閑狀態(tài)，造成內(nèi)存資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且也無法從邏輯上擴(kuò)大內(nèi)存容量。因此，虛擬內(nèi)存的實(shí)需要建立在離散分配的內(nèi)存管理方式的基礎(chǔ)上。虛擬內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)有以下三種方式：

• 請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理
• 請(qǐng)求分段存儲(chǔ)管理
• 請(qǐng)求段頁式存儲(chǔ)管理

不管哪種方式，都需要有一定的硬件支持。一般需要的支持有以下幾個(gè)方面：

• 一定容量的內(nèi)存和外存。
• 頁表機(jī)制（或段表機(jī)制），作為主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 中斷機(jī)構(gòu)，當(dāng)用戶程序要訪問的部分尚未調(diào)入內(nèi)存，則產(chǎn)生中斷。
• 地址變換機(jī)構(gòu)，邏輯地址到物理地址的變換。